Nanoribbonuri de grafen

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă examinată de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 21 aprilie 2021; verificările necesită 3 modificări .

Nanoribbonurile de grafen sunt benzi înguste de grafen cu o lățime de aproximativ 10–100 nm . Prin proprietățile lor fizice, ele diferă de eșantioanele mai largi, care au o lege de dispersie liniară, ca în grafenul infinit. Nanoribbonurile sunt interesante prin faptul că au o lege de dispersie neliniară și proprietăți semiconductoare datorită prezenței unei benzi interzise , care depinde de lățimea benzii și de aranjarea atomilor la granițe. Prin urmare, nanoribonurile de grafen sunt văzute ca un pas important în crearea unui tranzistor pe bază de grafen care va funcționa la temperatura camerei.

Metode de fabricație

Principala metodă de preparare a probelor de grafen este exfolierea mecanică a straturilor de grafit pirolitic folosind bandă adezivă și depunerea ulterioară a siliciului puternic dopat acoperit cu un strat dielectric (SiO 2 ) pe un substrat. Atunci când se utilizează această metodă, căutarea grafenului este efectuată într-un microscop optic și, deoarece nanoobiectele nu pot fi examinate în acest caz, se găsește mai întâi o probă relativ mare. Este supus unei proceduri standard de utilizare a litografiei electronice, care atinge o rezoluție de ordinul a 10 nm. În primul rând, substratul cu rezist de electroni depus în grafen este închis și rezistul este iluminat utilizând un fascicul de electroni, aplicând dimensiunile necesare ale nanoribonurilor de grafen și după îndepărtarea rezistenței neexpuse (pentru o rezistență negativă sau, dimpotrivă, îndepărtarea rezistenței expuse pentru o rezistență pozitivă), se efectuează gravarea cu plasmă . În lucrări [1] [2] s-a folosit o rezistență electronică HSQ .

Folosind metoda chimică [3] s-au creat nanoribbonuri cu lățimea mai mică de 10 nm. Această metodă necesită grafit expandat termic . Această metodă nu implică utilizarea litografiei și a gravării, astfel încât limitele nanoribonelor sunt netede.

Există o altă metodă [4] care nu folosește litografia, deoarece masca aici este un filament subțire de cuarț (diametru 200 nm), care evită posibile deteriorari și contaminare în timpul litografiei. În plus, metoda nu necesită timp.

Nanoribbonuri ideale

Deoarece grafenul este un semi-metal, este imposibil să scapi de purtătorii din el prin aplicarea unei tensiuni de poartă și, prin urmare, va exista întotdeauna un curent de scurgere mare în structurile de grafen. Pentru a depăși acest efect nedorit, se propune să se utilizeze benzi înguste de grafen, care se numesc nanoribbons datorită dimensiunii lor, unde, datorită efectului de dimensiune cuantică , este posibilă formarea unei benzi interzise , a cărei lățime este inversă. proporțional cu dimensiunea transversală a benzii. [1] [2] [5]

Cu toate acestea, nu toate nanoribbonurile în teorie au o bandă interzisă, deoarece aceasta depinde puternic de locația atomilor de limită și, în cazul general, toate nanoribbonurile cu aranjarea atomilor pe margine într-un zigzag (marginea acenului) ( ing. zig-zag ) nu au bandă, adică sunt metalice. [6] În fig. 1. arată cum se pot tăia diferite nanoribbonuri din grafen infinit, în funcție de orientare, având o aranjare diferită a atomilor la granițe. Dacă atomii sunt aranjați într-un fotoliu (marginea de fenantren) ( ing. fotoliu ), iar numărul lor este diferit de N=(3M-1), unde M este un număr întreg, se formează o bandă interzisă [7] , N este numărul de dimeri, așa cum se arată în orez. 2, lățime nanoribbon. Există un model analitic simplu [6] bazat pe utilizarea ecuației Dirac pentru grafen , care poate fi folosit pentru a estima intervalele de bandă pentru nanoribbonurile ideale de grafen, unde atomii de frontieră sunt aranjați sub forma unui fotoliu sau în zig-zag. model (vezi Fig. 2). Metode analitice sunt utilizate pentru studierea nanoribbonurilor de grafen cu granițe brute: aproximarea adiabatică [8] ; sau metode de simulare numerică mai complexe: aproximarea cuplajului strâns [9] [5] [10] , metoda funcțională a densității [11] [12] [13] .

Formarea unei zone interzise

Când apar defecte la interfață, nanoribbonurile trec din starea metalică în starea semiconductoare. Deoarece nu este posibil să se obțină precizie atomică cu litografie , nu a fost încă posibil să se obțină o nanoribbon metalic.

Experiment

Folosind litografia electronică, grafenul poate fi transformat în panglici înguste până la 20 nm. [1] Datorită efectului de dimensiune cuantică , banda interzisă la o lățime a panglicii de 20 nm este de 28 meV . Prin reducerea lățimii nanoribenei, se poate obține un interval de bandă mai mare, deoarece este invers proporțional cu lățimea. Aici, litografia electronică lipsește și a fost propusă o metodă chimică pentru a obține nanoribbonuri de grafen din grafit. [3] Folosind această metodă, este posibil să se creeze nanoribbons cu granițe netede și o lățime mai mică de 10 nm. [14] Acești tranzistori, care au folosit un substrat de siliciu puternic dopat ca poartă inversă , au prezentat un raport de curent pornit-oprit de aproximativ 106 la temperatura camerei. Datorită barierei Schottky dintre contactul metalic ( Pd sau Ti / Au ) și grafen, rezistența de contact a fost de aproximativ 60 kΩ pentru nanoribon-uri cu o lățime de aproximativ 2,5 nm, iar mobilitatea estimată a purtătorului a fost de aproximativ 100 cm²V -1 s -1 .

Pentru o nanoribbon de 850 nm lungime și 30 nm lățime, conductanța (conductibilitatea) în funcție de tensiunea porții a fost măsurată la o polarizare constantă aplicată de 10 mV [15] . Conductanța la temperatura camerei a avut o caracteristică netedă în formă de V, dar pe măsură ce temperatura a fost scăzută la 90 K, au apărut mai multe platouri de cuantizare cu un pas de 1,7 μS. Această cuantizare a conductanței este asociată cu formarea de sub-benzi de cuantizare a mărimii în benzi înguste de lățime , când vectorul de undă al particulei este cuantificat în direcția transversală , unde este un număr întreg. Energia cvasiparticulelor din subbenzi unidimensionale este descrisă prin expresie $W$ $k_{\bot}W=\pi m$ $m$

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

unde este constanta Planck, este viteza Fermi, este vectorul de undă asociat cu mișcarea de-a lungul nanoribenei, este un parametru care depinde de orientarea cristalografică. Intervalul de bandă este egal cu $\hbar$ $v_{F}$ $k_{||}$ $\alfa$

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

unde este distanța dintre niveluri. Conductanța nanoribbon este descrisă prin următoarea expresie $\Delta E=\hbar v_{F}\pi /W$

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

unde este coeficientul de transmisie a purtătorului pentru fiecare subbandă, este funcția de distribuție Fermi-Dirac și μ este potențialul chimic. Coeficienții se modifică în trepte, adică atunci când energia E depășește nivelul de cuantificare a mărimii, coeficientul devine diferit de zero (luat ca unul pentru simplitate). Datorită lărgirii temperaturii, cuantificarea conductanței în funcție de energia Fermi (potențial chimic) și, în consecință, a densității purtătorului și a tensiunii de poartă, nu va fi vizibilă la temperatura camerei cu o lățime a nanoribbonului de 30 nm, dar se observă clar la temperaturi mai scăzute (vezi Fig. 3). $T_{i}(E)$ $f_{0}=1/(1+\exp {(E-\mu )/kT})$ $T_{i}(E)$

Note

↑ 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 Arhivat 18 august 2016 la Wayback Machine
↑ 1 2 Han MY, et. al. Energy Band-Gap Engineering of Graphene Nanoribbons Phys. Rev. Lett. 98 , 206805 (2007) doi : 10.1103/PhysRevLett.98.206805 Preprint Arhivat la 2 februarie 2017 la Wayback Machine
↑ 1 2 Li X., et. al. Nanoriribbon Semiconductors Science 319 , 1229 (2008) doi : 10.1126/science.1150878
↑ Staley N. et. al. Fabricarea fără litografie a dispozitivelor cu grafen Appl. Fiz. Lett. 90 , 143518 (2007) doi : 10.1063/1.2719607
↑ 1 2 Chung, HC; Chang, C. P.; Lin, C.Y.; Lin, M.F. (2016). „Proprietățile electronice și optice ale nanobobinelor de grafen în câmpuri externe”. Chimie fizică Fizică chimică . 18 (11): 7573–7616. DOI : 10.1039/C5CP06533J .
↑ 1 2 Brey L. și Fertig HA Stări electronice ale nanoribbonurilor de grafen studiate cu ecuația Dirac Phys. Rev. B 73 , 235411 (2006) doi : 10.1103/PhysRevB.73.235411 Preprint
↑ Nakada K. și colab ., Edge state in graphene ribbons: Nanometer size effect and edge shape dependence Phys. Rev. B 54 , 17954 (1996) doi : 10.1103/PhysRevB.54.17954
↑ Katsnelson MI Cuantificarea conductanței în nanoribbonuri de grafen: aproximare adiabatică Eur. Fiz. J. B 57 , 225 (2007) doi : 10.1140/epjb/e2007-00168-5 Preprint
↑ Fujita M., Wakabayashi K., Nakada K. și Kusakabe K. (1996). „Stare localizată particulară la marginea de grafit în zigzag.” Jurnalul Societății de Fizică din Japonia . 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). „Explorarea regulilor de selecție optică dependente de margini pentru nanoribbonurile de grafen”. Optica Express . 19 (23): 23350-63. arXiv : 1104.2688 . Cod biblic : 2011OExpr..1923350C . DOI : 10.1364/OE.19.023350 . PMID22109212 . _
↑ Barone V. și colab ., Structura electronică și stabilitatea nanoribbonslor de grafen semiconductor Nano Lett. 6 , 2748 (2006) doi : 10.1021/nl0617033
↑ Son Y. et al ., Energy Gaps in Graphene Nanoribbons Phys. Rev. Lett. 97, 216803 (2006) doi : 10.1103/PhysRevLett.97.216803
↑ Son Y. et al ., Half-metallic graphene nanoribbons Nature 444 , 347 (2006) doi : 10.1038/nature05180
↑ Wang X., et. al. Tranzistoare cu efect de câmp cu nanoribbon de grafen sub 10 nm, toate semiconductoare la temperatura camerei Fiz. Rev. Lett. 100 , 206803 (2008) doi : 10.1103/PhysRevLett.100.206803 Preprint Arhivat la 2 februarie 2017 la Wayback Machine
↑ Lin Y.-M. cond mat