Grafén nanoszalagok

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2021. április 21-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 3 szerkesztést igényelnek .

A grafén nanoszalagok keskeny graféncsíkok, amelyek szélessége körülbelül 10-100 nm . Fizikai tulajdonságaikban eltérnek a szélesebb mintáktól, amelyek lineáris diszperziós törvényt mutatnak, mint a végtelen grafén esetében. A nanoszalagok érdekessége, hogy nemlineáris diszperziós törvényük és félvezető tulajdonságaik vannak a sáv szélessége miatt, amely a szalag szélességétől és az atomok elrendezésétől függ a határokon. A grafén nanoszalagokat ezért fontos lépésnek tekintik egy olyan grafén alapú tranzisztor létrehozásában, amely szobahőmérsékleten működik.

Gyártási módszerek

A grafénminták előállításának fő módszere a pirolitikus grafitrétegek ragasztószalaggal történő mechanikus hámlasztása, majd a dielektromos réteggel (SiO 2 ) bevont, erősen adalékolt szilícium hordozóra történő felhordása. A módszer alkalmazásakor a grafén keresése optikai mikroszkópban történik, és mivel a nanoobjektumok ilyenkor nem vizsgálhatók, először viszonylag nagy mintát találnak. Egy szabványos elektronlitográfiai eljárásnak vetik alá, amely 10 nm-es nagyságrendű felbontást ér el. Először a grafénnal leválasztott elektronreziszttel ellátott szubsztrátot lezárjuk , és a rezisztet elektronsugárral megvilágítjuk a szükséges méretű grafén nanoszalagok alkalmazásával, majd a nem exponált reziszt eltávolítása után (negatív reziszt esetén, vagy fordítva, a kitett reziszt eltávolítása pozitív reziszt), plazmamaratást végeznek . A munkákban [1] [2] elektronikus reziszt HSQ -t használtak .

A kémiai módszerrel [3] 10 nm-nél kisebb szélességű nanoszalagokat hoztak létre. Ehhez a módszerhez termikusan expandált grafit szükséges . Ez a módszer nem jár litográfia és maratással, így a nanoszalagok határai simák.

Létezik egy másik módszer [4] , amely nem alkalmaz litográfiát, mivel itt a maszk egy vékony kvarcszál (átmérője 200 nm), amely elkerüli a litográfia során bekövetkező esetleges sérüléseket és szennyeződéseket. Ráadásul a módszer nem időigényes.

Ideális nanoszalagok

Mivel a grafén félfém, kapufeszültség alkalmazásával lehetetlen megszabadulni a benne lévő hordozóktól, ezért mindig nagy lesz a szivárgó áram a grafénszerkezetekben. Ennek a nemkívánatos hatásnak a kiküszöbölésére javasolt keskeny graféncsíkok alkalmazása, amelyeket méretük miatt nanoszalagoknak neveznek, ahol a kvantumméret-hatás miatt sávköz képződése lehetséges , amelynek szélessége fordítottan arányos. arányos a szalag keresztirányú méretével. [1] [2] [5]

Elméletileg azonban nem minden nanoszalagnak van sávköze, mivel ez erősen függ a határatomok elhelyezkedésétől, és általános esetben minden nanoszalag, amelynek szélén az atomok cikcakkosan (acén él) helyezkednek el ( eng. cikk-cakk ) nincs sávközük, azaz fémből készültek. [6] Az ábrán. Az 1. ábra azt mutatja be, hogy a végtelen grafénből hogyan lehet különböző nanoszalagokat vágni, orientációtól függően, ha a határokon eltérő atomelrendezéssel. Ha az atomok egy karosszékben (fenantrén él) helyezkednek el ( eng. armchair ), és számuk eltér N=(3M-1) értéktől, ahol M egész szám, sávrés keletkezik [7] , N a a dimerek száma, amint azt a rizs mutatja. 2, nanoszalag szélesség. Létezik egy egyszerű analitikai modell [6] , amely a grafén Dirac-egyenletének felhasználásán alapul , és amely felhasználható az ideális grafén nanoszalagok sávközeinek becslésére, ahol a határatomok fotel vagy cikcakk formájában helyezkednek el. minta (lásd 2. ábra). A durva határú grafén nanoszalagok vizsgálatára analitikai módszereket alkalmaznak: adiabatikus közelítés [8] ; vagy bonyolultabb numerikus szimulációs módszerek: szoros csatolásos közelítés [9] [5] [10] , sűrűségfunkcionális módszer [11] [12] [13] .

Tiltott zóna kialakítása

Amikor hibák lépnek fel a határfelületen, a nanoszalagok fémes állapotból félvezető állapotba kerülnek. Mivel litográfiával nem lehet atomi pontosságot elérni , még nem sikerült fém nanoszalagot előállítani.

Kísérlet

Elektron litográfia segítségével a grafén 20 nm-ig keskeny szalagokká alakítható. [1] A kvantumméret hatás miatt a sávszélesség 20 nm-es szalagszélességnél 28 meV . A nanoszalag szélességének csökkentésével nagyobb sávrés érhető el, mivel ez fordítottan arányos a szélességgel. Itt hiányzik az elektronlitográfia, és kémiai módszert javasoltak grafén nanoszalagok grafitból történő előállítására. [3] Ezzel a módszerrel sima határvonalú, 10 nm-nél kisebb szélességű nanoszalagok készíthetők. [14] Ezek a tranzisztorok, amelyek fordított kapuként erősen adalékolt szilíciumhordozót használtak , szobahőmérsékleten körülbelül 106-os be-kikapcsolási áramarányt mutattak . A fémkontaktus ( Pd vagy Ti / Au ) és a grafén közötti Schottky-gát miatt az érintkezési ellenállás körülbelül 60 kΩ volt a körülbelül 2,5 nm széles nanoszalagoknál, a becsült hordozómobilitás pedig körülbelül 100 cm²V -1 s -1 .

Egy 850 nm hosszú és 30 nm széles nanoszalag esetében a vezetőképességet (vezetőképességet) a kapufeszültség függvényében 10 mV -os állandó előfeszítés mellett mértük [15] . A konduktancia szobahőmérsékleten sima V alakú karakterisztikával rendelkezett, de ahogy a hőmérsékletet 90 K-ra csökkentették, több kvantálási plató jelent meg 1,7 μS lépéssel. Ez a konduktanciakvantálás a méret-kvantálási részsávok kialakulásához kapcsolódik keskeny szélességű szalagokban , amikor a részecskehullámvektort keresztirányban kvantáljuk , ahol egy egész szám. Az egydimenziós részsávokban lévő kvázirészecskék energiáját a kifejezés írja le $W$ $k_{\bot }W=\pi m$ $m$

E_{m}=\pm \hbar v_{F}{\sqrt {k_{||}^{2}+(m+\alpha )^{2}\pi ^{2}/W^{2 }}},

ahol a Planck-állandó, a Fermi-sebesség, a nanoszalag mentén történő mozgáshoz kapcsolódó hullámvektor, a krisztallográfiai orientációtól függő paraméter. A sávszélesség egyenlő $\hbar$ $V f}$ $k_{||}$ $\alpha$

E_{g}=2\Delta E|\alpha |,

hol van a szintek közötti távolság. A nanoszalag vezetőképességét a következő kifejezés írja le $\Delta E=\hbar v_{F}\pi /W$

G={\frac {4e^{2}}{h}}\sum _{i}{\int {T_{i}(E)\left({\frac {\partial f_{0}} {\partial E}}\right)dE)),

ahol az egyes részsávok vivőátviteli együtthatója, a Fermi-Dirac eloszlási függvény, és μ a kémiai potenciál. Az együtthatók lépésenként változnak, vagyis amikor az E energia meghaladja a méretkvantálási szintet, az együttható nullától eltérő lesz (az egyszerűség kedvéért egynek vesszük). A hőmérséklet-szélesedés miatt a vezetőképességnek a Fermi-energia (kémiai potenciál), és ebből következően a hordozósűrűség és a kapufeszültség függvényében történő kvantálása szobahőmérsékleten 30 nm-es nanoszalag-szélesség mellett nem lesz észrevehető, de alacsonyabb hőmérsékleten jól észrevehető (lásd 3. ábra). $T_{i}(E)$ $f_{0}=1/(1+\exp {(E-\mu )/kT})$ $T_{i}(E)$

Jegyzetek

↑ 1 2 3 Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40 , 228 (2007) doi : 10.1016/j.physe.2007.06.020 Preprint archiválva : 2016. augusztus 18. a Wayback Machine -nél
↑ 1 2 Han MY, et. al. Graphene Nanoribbons Phys. Fordulat. Lett. 98 , 206805 (2007) doi : 10.1103/PhysRevLett.98.206805 Preprint Archivált : 2017. február 2. a Wayback Machine -nél
↑ 1 2 Li X., et. al. Kémiai eredetű, Ultrasima Graphene Nanoribbon Semiconductors Science 319 , 1229 (2008) doi : 10.1126/science.1150878
↑ Staley N. et. al. Grafén készülékek litográfiamentes gyártása Al. Phys. Lett. 90 , 143518 (2007) doi : 10.1063/1.2719607
↑ 1 2 Chung, HC; Chang, C. P.; Lin, C.Y.; Lin, M. F. (2016). „A grafén nanoszalagok elektronikus és optikai tulajdonságai külső terekben”. Fizikai kémia Kémiai fizika . 18 (11): 7573–7616. DOI : 10.1039/C5CP06533J .
↑ 1 2 Brey L. és Fertig HA Grafén nanoszalagok elektronállapotai a Dirac-egyenlettel vizsgálva Phys. Fordulat. B 73 , 235411 (2006) doi : 10.1103/PhysRevB.73.235411 Preprint
↑ Nakada K. et al ., Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependent Phys. Fordulat. B 54 , 17954 (1996) doi : 10.1103/PhysRevB.54.17954
↑ Katsnelson MI Vezetőképesség kvantálás grafén nanoszalagokban: Adiabatikus közelítés Eur. Phys. J. B 57 , 225 (2007) doi : 10.1140/epjb/e2007-00168-5 Preprint
↑ Fujita M., Wakabayashi K., Nakada K. és Kusakabe K. (1996). „Különleges lokalizált állapot a cikk-cakk grafit szélén.” A Japán Fizikai Társaság folyóirata . 65 (7): 1920. Bibcode : 1996JPSJ...65.1920F . DOI : 10.1143/JPSJ.65.1920 .
↑ Chung, H.C.; Lee, MH; Chang, C. P.; Lin, M. F. (2011). „Grafén nanoszalagok élfüggő optikai kiválasztási szabályainak feltárása”. Optika Express . 19 (23): 23350-63. arXiv : 1104.2688 . Irodai kód : 2011OExpr..1923350C . DOI : 10.1364/OE.19.023350 . PMID22109212 _ _
↑ Barone V. et al ., Electronic Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons Nano Lett. 6 , 2748 (2006) doi : 10.1021/nl0617033
↑ Son Y. et al ., Energy Gaps in Graphene Nanoribbons Phys. Fordulat. Lett. 97, 216803 (2006) doi : 10.1103/PhysRevLett.97.216803
↑ Son Y. et al ., Félig fémes grafén nanoszalagok Nature 444 , 347 (2006) doi : 10.1038/nature05180
↑ Wang X. et. al. Szobahőmérsékletű teljesen félvezető, 10 nm alatti grafén nanoszalag térhatású tranzisztorok Phys. Fordulat. Lett. 100 , 206803 (2008) doi : 10.1103/PhysRevLett.100.206803 Preprint Archivált : 2017. február 2. a Wayback Machine -nél
↑ Lin Y.-M. kond mat