ap

Γραφένιο: Είναι το μέλλον για τους ημιαγωγούς; Μια επισκόπηση του υλικού, των συσκευών και των εφαρμογών

[et_pb_section fb_built=”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″position background_size=”initial” ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ background_size=”initial” background_position=”top_left” background_repeat=”repeat” global_colors_info

Γραφένιο: Είναι το μέλλον για τους ημιαγωγούς; Μια επισκόπηση του υλικού, των συσκευών και των εφαρμογών

από τους Yaw Obeng και Purushothaman Srinivasan


In αυτό άρθρο, we απόπειρα προς την συνοψίζω ο graφένιο μέρος της σειράς συμποσίων ECS με θέμα «Γραφένιο, Ge/III-V, Νανονήματα και Αναδυόμενα Υλικά για Μετα-CMOS «Εφαρμογές».1 Αν και δεν είναι εξαντλητική και πλήρης, μια ανασκόπηση των εργασιών που παρουσιάζονται σε αυτά τα συμπόσια παρέχει μια σύντομη
μια ματιά στην κατάσταση της έρευνας για το γραφένιο τα τελευταία χρόνια χρόνια.

 

Ιστορία του γραφενίου
Ήδη από το 1947, είχε προβλεφθεί ότι το γραφένιο θα είχε εξαιρετικές ηλεκτρονικές ιδιότητες, εφόσον μπορούσε να απομονωθεί.2,3 Για χρόνια, το γραφένιο (Εικ. 1) θεωρούνταν ένα ακαδημαϊκό υλικό που υπήρχε μόνο στη θεωρία και θεωρούνταν ότι δεν υπήρχε ως ελεύθερο υλικό, λόγω της ασταθούς φύσης του. Οι A. Geim, K. Novoselov και οι συνεργάτες του ήταν από τους πρώτους που κατάφεραν να αποκτήσουν με επιτυχία τις φευγαλέες ελεύθερες μεμβράνες γραφενίου,4 κάτι που ήταν ένα αξιοσημείωτο επίτευγμα. Έτσι, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2010 που απονεμήθηκε στους Geim και Novoselov για «πρωτοποριακά πειράματα σχετικά με το δισδιάστατο υλικό γραφένιο» πρέπει να γιορταστεί ως αναγνώριση αξιοσημείωτης εφευρετικότητας στην πειραματική φυσική.

Η Διεθνής Ένωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC) ορίζει το γραφένιο ως ένα μόνο στρώμα άνθρακα της δομής γραφίτη, περιγράφοντας τη φύση του κατ' αναλογία με έναν πολυκυκλικό αρωματικό υδρογονάνθρακα σχεδόν άπειρου μεγέθους.5 Έτσι, ο όρος γραφένιο θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο όταν συζητούνται οι αντιδράσεις, οι δομικές σχέσεις ή άλλες ιδιότητες ενός μόνο στρώματος. Προηγουμένως, περιγραφές όπως στρώματα γραφίτη, στρώματα άνθρακα ή φύλλα άνθρακα έχουν χρησιμοποιηθεί για τον όρο γραφένιο.

Σχήμα 1. Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο δομικό στοιχείο για υλικά με βάση τον άνθρακα. Μπορεί να τυλιχτεί σε 0D buckyballs, να τυλιχτεί σε 1D νανοσωλήνες ή να στοιβάζεται σε τρισδιάστατο γραφίτη. Το σχήμα αναπαράγεται με άδεια από το Nature Mater., 6, 184 (2007).

Σχήμα 1. Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο δομικό στοιχείο για υλικά με βάση τον άνθρακα. Μπορεί να τυλιχτεί σε 0D buckyballs, να τυλιχτεί σε 1D νανοσωλήνες ή να στοιβάζεται σε τρισδιάστατο γραφίτη. Το σχήμα αναπαράγεται με άδεια από το Nature Mater., 6, 184 (2007).

Ο αγώνας δρόμου για την απομόνωση του γραφενίου

Έχει καταβληθεί μακρά και συνεχής προσπάθεια για την κατασκευή ανεξάρτητων μεμβρανών γραφενίου. Έχουν μελετηθεί διαφορετικοί τρόποι απομόνωσης του γραφενίου. Μία από τις πρώτες τεκμηριωμένες προσπάθειες απομόνωσης του γραφενίου ήταν μέσω της απολέπισης με φυσικές ή χημικές μεθόδους. Για παράδειγμα, ο γραφίτης απολεπίστηκε για πρώτη φορά το 1840, όταν ο C. Schafheutl προσπάθησε να καθαρίσει το "kish" από τα χυτήρια σιδήρου επεξεργάζοντάς το με ένα μείγμα θειικού και νιτρικού οξέος.6 Το οξείδιο του γραφίτη παρασκευάστηκε για πρώτη φορά από τον Brodie το 1859, με επεξεργασία γραφίτη με ένα μείγμα χλωρικού καλίου και ατμίζοντος νιτρικού οξέος.7,8 Boehm et αϊ. περιέγραψε τον σχηματισμό εξαιρετικά λεπτών ελασμάτων άνθρακα, που αποτελούνται από μερικά στρώματα άνθρακα όπως μετρήθηκαν με TEM, είτε με «ανάφλεξη του γραφιτικού οξειδίου κατά τη θέρμανση είτε με αναγωγή του γραφιτικού οξειδίου σε αλκαλικό εναιώρημα».9 Έχει υποστηριχθεί ότι οι τεχνικές προετοιμασίας δειγμάτων για την κατασκευή των δειγμάτων TEM είχαν ως αποτέλεσμα τη συσσωμάτωση του κατά τα άλλα μοναδικού στρώματος γραφενίου στα ελάσματα που περιγράφονται από τον Boehm. et αϊ. Σε καμία από αυτές τις πρώιμες εργασίες δεν απομονώθηκαν ή δεν αναγνωρίστηκαν ως τέτοια «ελεύθερα» αρχεία γραφενίου ή οξειδίου του γραφενίου.

Η ομάδα του Geim (Εικ. 2α) απομόνωσε με επιτυχία ατομικά λεπτό γραφίτη χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία για να ξεκολλήσει στρώματα από νιφάδες γραφιτικού κρυστάλλου και στη συνέχεια να τρίψει απαλά αυτά τα φρέσκα στρώματα πάνω σε μια επιφάνεια οξειδωμένου πυριτίου. Ήταν επίσης σε θέση να προσδιορίσουν το πάχος αυτού του στρώματος, το οποίο είχε πάχος λίγων angstrom, χρησιμοποιώντας AFM. Η τεχνική τους με «Scotch tape» θυμίζει πολύ τη χρήση κολλητικής ταινίας για την τακτική αποκόλληση στρωματοποιημένων κρυστάλλων (π.χ, γραφίτης, μαρμαρυγίας, κ.λπ.), που συγκρατούνται μεταξύ τους από δυνάμεις van der Waals, για να αποκαλύψουν νέες επιφάνειες.10,11

Την τελευταία δεκαετία περίπου, η ομάδα στο Georgia Tech με επικεφαλής τον Walter de Heer χρησιμοποίησε τη μέθοδο της επιταξιακής ανάπτυξης για την απομόνωση του γραφενίου (Εικ. 2b). Το καρβίδιο του πυριτίου επιλέχθηκε ως υπόστρωμα και η ομάδα απέδειξε ότι το επιταξιακό γραφένιο θα μπορούσε να παραχθεί με θερμική αποσύνθεση του SiC, το οποίο μπορεί να υποστεί διαμόρφωση και να ελεγχθεί.12 Επιπλέον, έδειξαν ότι το επιταξιακό γραφένιο παρουσίαζε δισδιάστατες ηλεκτρονικές ιδιότητες καθώς και φαινόμενα κβαντικής περιορισμού και κβαντικής συνοχής. Ταυτόχρονα, η ομάδα του Philip Kim στο Πανεπιστήμιο Columbia χρησιμοποίησε AFM για να διαχωρίσει μηχανικά τα στρώματα γραφενίου από τον γραφίτη. Κατάφεραν να απομονώσουν μια πολυστρωματική δομή που αποτελείται από περίπου 10 στρώματα.13

Σχήμα 2α. (i) Μία από τις πρώτες φωτογραφίες απομονωμένου γραφενίου. Χρησιμοποίησαν την απλή τεχνική της αποκοπής στρωμάτων από μια επιφάνεια γραφίτη (που ονομάζεται απολέπιση) χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία. Ευγενική προσφορά του http://physicsweb.org. (ii) Εικόνα γραφενίου σε ηλεκτρονική μικρογραφία σάρωσης υψηλής ανάλυσης. Αναπαράγεται με άδεια από το Physics World, Νοέμβριος 2006, σελ. 1. (iii) Ατομική ανάλυση γραφιτικών στρωμάτων που εξήχθησαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο απολέπισης. Αναπαράγεται με άδεια από το Nature Mater., 6, 185 (2007) Σχήμα 2β. Επιταξιακό γραφένιο στην επιφάνεια C του 4H-SiC. (i) Εικόνα TEM της διατομής πολυστρωματικού επιταξιακού γραφενίου. (ii) Εικόνα STM ατομικής ανάλυσης που δείχνει ένα εξαγωνικό πλέγμα. (iii) Εικόνα AFM. Οι λευκές γραμμές είναι «ζάρες» στα φύλλα γραφενίου. Ευγενική προσφορά του ECS Transactions, 19(5), 95 (2009).

Σχήμα 2α. (i) Μία από τις πρώτες φωτογραφίες απομονωμένου γραφενίου. Χρησιμοποίησαν την απλή τεχνική της αποκοπής στρωμάτων από μια επιφάνεια γραφίτη (που ονομάζεται απολέπιση) χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία. Ευγενική προσφορά του http://physicsweb.org. (ii) Εικόνα γραφενίου σε ηλεκτρονική μικρογραφία σάρωσης υψηλής ανάλυσης. Αναπαράγεται με άδεια από το Physics World, Νοέμβριος 2006, σελ. 1. (iii) Ατομική ανάλυση γραφιτικών στρωμάτων που εξήχθησαν χρησιμοποιώντας τη μέθοδο απολέπισης. Αναπαράγεται με άδεια από το Nature Mater., 6, 185 (2007) Σχήμα 2β. Επιταξιακό γραφένιο στην επιφάνεια C του 4H-SiC. (i) Εικόνα TEM της διατομής πολυστρωματικού επιταξιακού γραφενίου. (ii) Εικόνα STM ατομικής ανάλυσης που δείχνει ένα εξαγωνικό πλέγμα. (iii) Εικόνα AFM. Οι λευκές γραμμές είναι «ζάρες» στα φύλλα γραφενίου. Ευγενική προσφορά του ECS Transactions, 19(5), 95 (2009).

 

Πρόσφατα, η ομάδα του Ruoff κατασκεύασε με επιτυχία γραφένιο χρησιμοποιώντας επιταξιακή ανάπτυξη με χημική εναπόθεση ατμών υδρογονανθράκων σε μεταλλικά υποστρώματα. Σε αυτήν την περίπτωση, το μεταλλικό υπόστρωμα ήταν Cu (Εικ. 2c).14 Το πλεονέκτημα αυτής της τεχνικής είναι ότι μπορεί εύκολα να επεκταθεί σε μεγάλες περιοχές αυξάνοντας απλώς το μέγεθος του μεταλλικού υποστρώματος Cu και το σύστημα ανάπτυξης. Γενικά, η επιταξιακή ανάπτυξη γραφενίου προσφέρει την πιο πολλά υποσχόμενη οδό προς την παραγωγή και η ταχεία πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση βρίσκεται σε εξέλιξη. Ομοίως, η ομάδα του Kong στο MIT έχει επίσης καλλιεργήσει γραφένιο με επιταξία σε μεταλλικές επιφάνειες, όπως Ni ή Pt (Εικ. 2c).15 Σε αυτήν την τεχνική επιταξίας σε μέταλλο, η μεμβράνη γραφενίου μεταφέρεται σε κατάλληλα υποστρώματα εργασίας με χημική απομάκρυνση του πρωτογενούς μεταλλικού υποστρώματος.

Ιδιότητες του Γραφενίου

Το γραφένιο είναι μια επίπεδη μονοστρωματική στρώση sp2 άτομα άνθρακα σφιχτά συσκευασμένα σε ένα δισδιάστατο (2D) κυψελωτό πλέγμα, το οποίο αποτελεί βασικό δομικό στοιχείο για υλικά με βάση τον άνθρακα (Εικ. 1). Το 1947, ο Wallace χρησιμοποίησε τη θεωρία ζωνών στερεών με προσέγγιση σφιχτής σύνδεσης, για να εξηγήσει πολλές από τις φυσικές ιδιότητες του γραφίτη.3 Σε αυτήν την εργασία, ο συγγραφέας κάνει μια μάλλον διορατική υπόθεση: «Δεδομένου ότι η απόσταση των επιπέδων πλέγματος του γραφίτη είναι μεγάλη (3.37Α) σε σύγκριση με την εξαγωνική απόσταση στο στρώμα 1.42Α, μια πρώτη προσέγγιση στην επεξεργασία του γραφίτη μπορεί να επιτευχθεί αγνοώντας τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των επιπέδων και υποθέτοντας ότι η αγωγιμότητα λαμβάνει χώρα μόνο σε στρώματα». Αυτή η υπόθεση καθιστά τις επόμενες αναλύσεις εύκολα εφαρμόσιμες στο υλικό που τώρα γνωρίζουμε ως γραφένιο.

Το δισδιάστατο σύστημα του γραφενίου δεν είναι μόνο ενδιαφέρον από μόνο του, αλλά επιτρέπει επίσης την πρόσβαση στη λεπτή και πλούσια φυσική της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής σε ένα πείραμα σε εργαστηριακό περιβάλλον. Νοβοσελόφ et αϊ.16 έδειξε ότι η μεταφορά ηλεκτρονίων στο γραφένιο διέπεται ουσιαστικά από την (σχετιστική) εξίσωση του Dirac. Οι φορείς φορτίου στο γραφένιο μιμούνται σχετικιστικά σωματίδια με μηδενική μάζα ηρεμίας και έχουν μια αποτελεσματική ταχύτητα φωτός, c* ≈ 106 cm- 1s-1Η μελέτη τους αποκάλυψε μια ποικιλία ασυνήθιστων φαινομένων που είναι χαρακτηριστικά των δισδιάστατων φερμιονίων Dirac. Συγκεκριμένα, παρατήρησαν ότι η αγωγιμότητα του γραφενίου δεν πέφτει ποτέ κάτω από μια ελάχιστη τιμή που αντιστοιχεί στην κβαντική μονάδα αγωγιμότητας, ακόμη και όταν οι συγκεντρώσεις φορέων φορτίου τείνουν στο μηδέν. Επιπλέον, το ακέραιο κβαντικό φαινόμενο Hall στο γραφένιο είναι ανώμαλο, καθώς εμφανίζεται σε ημιακέραιους παράγοντες πλήρωσης, και η μάζα του κυκλοτρονίου mc των άμαζων φορέων στο γραφένιο περιγράφεται από E = mcc*2.

Μία από τις πιο συναρπαστικές πτυχές της φυσικής που κατέστη δυνατή με την απομόνωση του γραφενίου είναι η πειραματική επίδειξη του λεγόμενου παραδόξου Klein - ανεμπόδιστη διείσδυση σχετικιστικών σωματιδίων μέσα από υψηλά και ευρέα φράγματα δυναμικού. Το φαινόμενο συζητείται σε πολλά πλαίσια στη σωματιδιακή, πυρηνική και αστροφυσική, αλλά οι άμεσες δοκιμές του παραδόξου Klein χρησιμοποιώντας στοιχειώδη σωματίδια είχαν αποδειχθεί μέχρι στιγμής αδύνατες. Katsnelson et αϊ. έδειξε ότι το φαινόμενο μπορεί να δοκιμαστεί σε ένα εννοιολογικά απλό πείραμα συμπυκνωμένης ύλης χρησιμοποιώντας ηλεκτροστατικά φράγματα σε μονοστρωματικό και διστρωματικό γραφένιο.17 Λόγω της χειρόμορφης φύσης των οιονεί σωματιδίων τους, η κβαντική σήραγγα σε αυτά τα υλικά γίνεται εξαιρετικά ανισότροπη, ποιοτικά διαφορετική από την περίπτωση των κανονικών, μη σχετικιστικών ηλεκτρονίων. Τα άμαζα φερμιόνια Dirac στο γραφένιο επιτρέπουν μια στενή υλοποίηση του πειράματος Gedanken του Klein, ενώ τα ογκώδη χειρόμορφα φερμιόνια στο διπλοστοιβαδικό γραφένιο προσφέρουν ένα ενδιαφέρον συμπληρωματικό σύστημα που διευκρινίζει τη βασική φυσική που εμπλέκεται.

Εκτός από αυτά τα παραδείγματα νέας φυσικής, το γραφένιο έχει επιδείξει μερικές εκπληκτικές ηλεκτρονικές ιδιότητες, όπως απεικονίζεται παρακάτω.

Φορείς φορτίου στο γραφένιο.—Τα ηλεκτρόνια που διαδίδονται μέσω του κυψελοειδούς πλέγματος χάνουν εντελώς την ενεργό μάζα τους, με αποτέλεσμα τα οιονεί σωματίδια που ονομάζονται «φερμιόνια Dirac» και περιγράφονται από μια εξίσωση τύπου Dirac και όχι από την εξίσωση Schrödinger, όπως φαίνεται στα Σχήματα 3α και 3β. Αυτά μπορούν να θεωρηθούν ως ηλεκτρόνια που έχουν μηδενική μάζα m0 ή ως νετρίνα που απέκτησαν το φορτίο ηλεκτρονίων e. Το γραφένιο διπλής στρώσης δείχνει έναν άλλο τύπο οιονεί σωματιδίων που δεν έχουν γνωστές αναλογίες. Είναι ογκώδη φερμιόνια Dirac που περιγράφονται από έναν συνδυασμό των εξισώσεων Dirac και Schrödinger.

Δομή ζωνών του γραφενίου.—Το γραφένιο είναι ένα ημιμέταλλο και ημιαγωγός μηδενικού χάσματος (Εικ. 4α). Επιπλέον, η ηλεκτρονική δομή της ζώνης του διπλοστοιβαδικού γραφενίου αλλάζει σημαντικά μέσω του φαινομένου του ηλεκτρικού πεδίου και το ημιαγώγιμο χάσμα ΔE μπορεί να συντονίζεται συνεχώς από μηδέν έως ≈0.3 eV εάν το SiO2 χρησιμοποιείται ως διηλεκτρικό. Μια πρόσφατη μελέτη της IBM παρείχε στοιχεία όπου το ενεργειακό χάσμα ζώνης ρυθμίστηκε στην τάξη των 0.13 eV χρησιμοποιώντας τη δομή όπως φαίνεται στο Σχήμα 4β.

Θερμική αγωγιμότητα και κινητικότητα.—Το γραφένιο είναι ένα δισδιάστατο υλικό όπου υπάρχει ελάχιστη ή καθόλου σκέδαση φωνονίων. Γενικά, τα φωνόνια χαμηλής ενέργειας στο σύστημα εμπλέκονται στη μεταφορά θερμότητας. Ως εκ τούτου, προσφέρει υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα. Το γραφένιο παρουσιάζει αμφιπολικό φαινόμενο ηλεκτρικού πεδίου (Εικ. 5α) έτσι ώστε οι φορείς φορτίου να μπορούν να συντονίζονται συνεχώς μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών με συγκεντρώσεις έως και 1013 cm-2 (Εικ. 5β), και οι κινητικότητές τους μ που υπερβαίνουν τα 15,000 cm2 V-1 s-1 ακόμη και υπό συνθήκες περιβάλλοντος. Οι παρατηρούμενες κινητικότητες εξαρτώνται ασθενώς από τη θερμοκρασία T, πράγμα που σημαίνει ότι το μ στους 300 K εξακολουθεί να περιορίζεται από τη σκέδαση των προσμίξεων και επομένως μπορεί να βελτιωθεί σημαντικά, ίσως ακόμη και έως ≈100,000 cm2 V-1 s-1Στο γραφένιο, το μ παραμένει υψηλό ακόμη και σε υψηλό n (>1012 cm-2) τόσο σε ηλεκτρικά όσο και σε χημικά ντοπαρισμένες συσκευές, κάτι που μεταφράζεται σε βαλλιστική μεταφορά σε κλίμακα υπομικρόμετρου (προς το παρόν έως ≈0.3 μm στους 300 K).

Σχήμα 2γ. Αρχικά στάδια ανάπτυξης γραφενίου σε Cu. (i) Ηλεκτρομαγνητική τομογραφία (SEM) γραφενίου σε Cu. (ii) Χάρτες Raman γραφενίου σε SiO2/Si. Τα μέρη (i) και (ii) αναπαράγονται ευγενική προσφορά του ECS Transactions, 19(5), 41 (2009). (iii) Μεμβράνες γραφενίου που αναπτύχθηκαν σε Ni και μεταφέρθηκαν σε πλακίδιο Si. Αναπαράγεται με άδεια του Nano Lett., 9, 30 (2009).

Σχήμα 2γ. Αρχικά στάδια ανάπτυξης γραφενίου σε Cu. (i) Ηλεκτρομαγνητική τομογραφία (SEM) γραφενίου σε Cu. (ii) Χάρτες Raman γραφενίου σε SiO2/Si. Τα μέρη (i) και (ii) αναπαράγονται ευγενική προσφορά του ECS Transactions, 19(5), 41 (2009). (iii) Μεμβράνες γραφενίου που αναπτύχθηκαν σε Ni και μεταφέρθηκαν σε πλακίδιο Si. Αναπαράγεται με άδεια του Nano Lett., 9, 30 (2009).

Μια περαιτέρω ένδειξη της ακραίας ηλεκτρονικής ποιότητας του συστήματος είναι το κβαντικό φαινόμενο Hall (QHE) που μπορεί να παρατηρηθεί (Εικ. 5c), στο γραφένιο ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου, επεκτείνοντας το προηγούμενο εύρος θερμοκρασίας για το QHE κατά 10 φορές. Εφαρμογές του γραφενίου

Σχήμα 3. (α) Φερμιόνια Schrödinger· η πράσινη κουκκίδα είναι το ηλεκτρόνιο. (β) Φερμιόνια Dirac σε γραφένιο. Αναπαράγεται με άδεια του Science Review, 324, 1531 (2009)

Σχήμα 3. (α) Φερμιόνια Schrödinger· η πράσινη κουκκίδα είναι το ηλεκτρόνιο. (β) Φερμιόνια Dirac σε γραφένιο. Αναπαράγεται με άδεια του Science Review, 324, 1531 (2009)

Οι ασυνήθιστες ιδιότητες του γραφενίου που περιγράφονται στην προηγούμενη ενότητα, σε συνδυασμό με: (i) την υψηλή οπτική διαφάνεια, (ii) τη χημική αδράνεια και (iii) το χαμηλό κόστος, το καθιστούν βιώσιμο για μια πληθώρα βιομηχανικών εφαρμογών. Μια διατομή εφαρμογών που αξιοποιούν συγκεκριμένες ιδιότητες του γραφενίου περιγράφεται λεπτομερώς παρακάτω.

  • Η υψηλή κινητικότητα ακόμη και στις υψηλότερες συγκεντρώσεις που προκαλούνται από το ηλεκτρικό πεδίο κάνει τους φορείς να γίνονται βαλλιστικοί, δημιουργώντας μια βαλλιστική συσκευή FET στους 300 K.
  • Λόγω της συμμετρίας eh και της γραμμικής διασποράς του, είναι κατάλληλο για εφαρμογές RF και υψηλών συχνοτήτων, όπως ανιχνευτές THz και λέιζερ.
  • Έχει επίσης εφαρμογές σε χημικούς αισθητήρες και εφαρμογές που βασίζονται σε MEMS.
  • Μια άλλη οδός για την ηλεκτρονική που βασίζεται στο γραφένιο είναι να θεωρηθεί το γραφένιο ως αγώγιμο φύλλο και όχι ως υλικό καναλιού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή ενός μονοηλεκτρονιακού τρανζίστορ (SET).
  • Υπεραγώγιμα FET και σπιντρονική σε θερμοκρασία δωματίου
  • Διαφανή ηλεκτρόδια

Μία από τις εμπορικά βιώσιμες συσκευές που βασίζονται στο γραφένιο είναι το RF-FET, καθώς οι ιδιότητές του είναι κατάλληλες για εφαρμογές χαμηλής ισχύος / υψηλής ταχύτητας. Η IBM έχει επιδείξει μια επιτυχημένη κατασκευή ενός RF-FET σε πλακίδια 2 ιντσών χρησιμοποιώντας SiC ως υπόστρωμα.18 Πέτυχαν ανώτερη ηλεκτρική απόδοση όταν η συσκευή ήταν αυτοαπορροφούμενη, καλύτερη κινητικότητα Hall και υψηλότερο I.D και ζmΕπιπλέον, απέκτησαν ft μέγιστο 170 GHz σε μήκη πύλης 90 nm (Εικ. 6α). Η Samsung πέτυχε επίσης καλά χαρακτηριστικά για μια συσκευή RF σε πλακίδια 6 ιντσών19 με κέρδος ρεύματος κοντά στα 200 GHz στα 0.24 um (Εικ. 6b).

Σχήμα 4. (α) Δομή ζωνών του γραφενίου. Οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας εφάπτονται σε διακριτά σημεία στη ζώνη Brillouin. Αναπαράγεται με άδεια του Physics Today, 59(1), 21 (2006). (β) Σχηματική απεικόνιση (i) του ανοίγματος ενεργειακού χάσματος σε διπλοστοιβαδικό γραφένιο από ένα ηλεκτρικό πεδίο. (ii) Σχηματική απεικόνιση της συσκευής που χρησιμοποιείται για το άνοιγμα του χάσματος. (iii) Χαρακτηριστικά μεταφοράς του FET γραφενίου. Αναπαράγεται με άδεια του IEDM Tech. Digest, 23.1.1, 552 (2010).

Σχήμα 4. (α) Δομή ζωνών του γραφενίου. Οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητας εφάπτονται σε διακριτά σημεία στη ζώνη Brillouin. Αναπαράγεται με άδεια του Physics Today, 59(1), 21 (2006). (β) Σχηματική απεικόνιση (i) του ανοίγματος ενεργειακού χάσματος σε διπλοστοιβαδικό γραφένιο από ένα ηλεκτρικό πεδίο. (ii) Σχηματική απεικόνιση της συσκευής που χρησιμοποιείται για το άνοιγμα του χάσματος. (iii) Χαρακτηριστικά μεταφοράς του FET γραφενίου. Αναπαράγεται με άδεια του IEDM Tech. Digest, 23.1.1, 552 (2010).

 

Σχήμα 5. (α) Αμφιπολικό φαινόμενο ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε μονοστρωματικό γραφένιο. Η εξάρτηση της αντίστασης του δείγματος υψηλής κινητικότητας από την τάση πύλης και τη θερμοκρασία (μ ≈ 20,000 cm2 V-1s−1). (β) ρ έναντι Vg σε τρεις αντιπροσωπευτικές θερμοκρασίες, T = 0.03K, 77K και 300 K, παρουσιάζοντας παρόμοιες επιδόσεις λόγω μηδενικής σκέδασης φωνονίων. Τα μέρη (α) και (β) αναπαράγονται με άδεια του Eur. Phys. J. Special Topics, EDP Sciences, Springer-Verlag, 148, 15 (2007). (γ) Χειρόμορφα κβαντικά φαινόμενα Hall γραφενίου. Αναπαράγονται με άδεια του Physics Today, 60(8), 35 (2007).

Σχήμα 5. (α) Αμφιπολικό φαινόμενο ηλεκτρομαγνητικού πεδίου σε μονοστρωματικό γραφένιο. Η πύλη
εξάρτηση της αντίστασης της υψηλής κινητικότητας από την τάση και τη θερμοκρασία
δείγμα (μ ≈ 20,000 cm2 V-1s−1). (β) ρ έναντι Vg σε τρεις αντιπροσωπευτικές
θερμοκρασίες, T = 0.03K, 77K και 300 K που παρουσιάζουν παρόμοιες επιδόσεις
λόγω μηδενικής σκέδασης φωνονίων. Τα μέρη (α) και (β) αναπαράγονται με άδεια
του Eur. Phys. J. Special Topics, EDP Sciences, Springer-Verlag, 148,
15 (2007). (γ) Κβαντικά φαινόμενα Hall με χειρόμορφο γραφένιο. Αναπαράγεται με
άδεια του Physics Today, 60(8), 35 (2007).

Ενώ και στις δύο περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε ένα υλικό υψηλού k ως διηλεκτρικό πύλης, το h-BN φαίνεται να είναι καλύτερη επιλογή καθώς το υλικό του

ιδιότητες20 είναι κοντά στο γραφένιο (Εικ. 6γ). Η δομή είναι μια μονωτική ισομορφή του γραφίτη, η οποία ενισχύει την κινητικότητα της συσκευής γραφενίου. Ωστόσο, ένα σημαντικό πρόβλημα που περιορίζει την απόδοση αυτών των συσκευών είναι η κακή αντίσταση επαφής. Οι τιμές αντίστασης επαφής είναι επί του παρόντος της τάξης των κιλο-ωμ.

Μια άλλη πιθανή βραχυπρόθεσμη εφαρμογή του γραφενίου είναι η διαφανής οθόνη αφής που παρουσίασε η Samsung.21 Χρησιμοποιώντας έναν κύλινδρο, το γραφένιο που έχει αναπτυχθεί με CVD μεταφέρεται πιέζοντας πάνω σε ένα συγκολλητικό πολυμερές υπόστρωμα και ο χαλκός στη συνέχεια χαράσσεται, αφήνοντας την μεμβράνη γραφενίου προσκολλημένη στο πολυμερές. Το γραφένιο μπορεί στη συνέχεια να πιεστεί πάνω σε ένα τελικό υπόστρωμα - όπως το τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο (PET) - ξανά χρησιμοποιώντας κυλίνδρους και την κόλλα πολυμερούς που απελευθερώνεται με θέρμανση. Τα επόμενα στρώματα γραφενίου μπορούν στη συνέχεια να προστεθούν με παρόμοιο τρόπο, δημιουργώντας μια μεγάλη μεμβράνη γραφενίου. Το γραφένιο προσμίχθηκε με επεξεργασία με νιτρικό οξύ, για να δώσει ένα μεγάλο, διαφανές ηλεκτρόδιο που αποδείχθηκε ότι λειτουργεί σε μια εφαρμογή συσκευής αφής (Εικ. 7). Αυτό το ηλεκτρόδιο γραφενίου μπορεί ενδεχομένως να αντικαταστήσει τα παραδοσιακά διαφανή ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται σε τέτοιες εφαρμογές, τα οποία κατασκευάζονται σήμερα από διαφανή αγώγιμα οξείδια όπως το ITO. Ωστόσο, το ηλεκτρόδιο γραφενίου έχει καλύτερη διαφάνεια και είναι πιο ανθεκτικό. Τα υλικά οξειδίου όπως το ITO είναι συνήθως εύθραυστα και αδύναμα, οδηγώντας σε μια πεπερασμένη διάρκεια ζωής. από την άλλη πλευρά, οι οθόνες με βάση το γραφένιο θα πρέπει να έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής.

Σχήμα 6. Κέρδος ρεύματος ft, μέγιστα χαρακτηριστικά από: (α) IBM που δείχνει συχνότητα αποκοπής 170 GHz για μήκος πύλης 90 nm.17 Αναπαράγεται με άδεια του IEDM Tech. Digest, 9.6.1-9.6.3, 226 (2010). (β) Samsung που δείχνει συχνότητα αποκοπής 200 GHz για μήκος πύλης 0.24 μm.18 Αναπαράγεται με άδεια του IEDM Tech. Digest, 23.5.1-23.5.4, 568 (2010). και (γ) Εγγενή χαρακτηριστικά IV συσκευής 0.44 um που κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας BN ως διηλεκτρικό πύλης. Οι συνεχείς γραμμές υποδεικνύουν καμπύλες προσαρμογής μοντέλου.19 Αναπαράγεται με άδεια του IEDM Tech. Digest, 23.2.1-23.2.4, 556 (2010).

Σχήμα 6. Κέρδος ρεύματος ft, μέγιστα χαρακτηριστικά από: (α) IBM που δείχνει συχνότητα αποκοπής 170 GHz για μήκος πύλης 90 nm.17 Αναπαράγεται με άδεια του
IEDM Tech. Digest, 9.6.1-9.6.3, 226 (2010). (β) Η Samsung παρουσιάζει συχνότητα αποκοπής 200 GHz για μήκος πύλης 0.24 μm.18 Αναπαραγωγή κατόπιν αδείας
του IEDM Tech. Digest, 23.5.1-23.5.4, 568 (2010)· και (γ) Εγγενή χαρακτηριστικά IV συσκευής 0.44 um κατασκευασμένης με χρήση BN ως διηλεκτρικού πύλης. Συνεχείς γραμμές
υποδεικνύουν καμπύλες προσαρμογής μοντέλου.19 Αναπαράγεται με άδεια του IEDM Tech. Digest, 23.2.1-23.2.4, 556 (2010).

Σχετικά με τους Συγγραφείς

Γιάου Ομπένγκ Έχει πάνω από 20 χρόνια αποδεδειγμένης τεχνικής ηγεσίας σε εταιρικά, επιχειρηματικά και ακαδημαϊκά περιβάλλοντα. Επί του παρόντος, εργάζεται ως Επικεφαλής Επιστήμονας στο Γραφείο Προγραμμάτων Μικροηλεκτρονικής στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) στο Γκάιθερσμπουργκ του Μέριλαντ.

Προηγουμένως είχε εργαστεί στις AT&T/Lucent Technologies/Agere Systems Bell Laboratories και Texas Instruments. Έχει επίσης συνιδρύσει δύο νεοσύστατες εταιρείες (psiloQuest, Inc. και Nkanea Technologies, Inc.) αφιερωμένες στην ανάπτυξη νέων υλικών για την κατασκευή ημιαγωγών και οπτοηλεκτρονικών. Είναι εφευρέτης σε πάνω από 50 αμερικανικά και διεθνή διπλώματα ευρεσιτεχνίας και έχει δημοσιεύσει πάνω από 100 εργασίες σε διάφορες τεχνικές εκδόσεις. Ο Δρ. Obeng κατέχει θέσεις βοηθού καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Clemson και στο Πανεπιστήμιο της Κεντρικής Φλόριντα στο Ορλάντο, όπου έχει συμβουλεύσει αρκετούς μεταπτυχιακούς φοιτητές. Είναι μέλος του Αμερικανικού Ινστιτούτου Χημικών. Μπορείτε να επικοινωνήσετε μαζί του στη διεύθυνση [προστασία μέσω email].

Πουρουσοθαμάν Σρινιβάσαν Είναι επί του παρόντος Μέλος του Τεχνικού Προσωπικού στην Texas Instruments, στο Ντάλας. Έχει ασχοληθεί με την έρευνα και ανάπτυξη προηγμένων συσκευών CMOS για εφαρμογές χαμηλής ισχύος με έμφαση στον θόρυβο 1/f. Οι τρέχουσες δραστηριότητές του περιλαμβάνουν την οργάνωση συμποσίων για το γραφένιο στην ECS. Είναι επίσης μέλος της εκτελεστικής επιτροπής και Πρόεδρος του Τμήματος Διηλεκτρικής Επιστήμης και Τεχνολογίας στην ECS. Είναι επίσης μέλος του Τεχνικού Συμβουλευτικού Συμβουλίου του SRC και μέλος συνδέσμου σε διάφορα έργα. Πριν ενταχθεί στην TI, απέκτησε το διδακτορικό του δίπλωμα από το IMEC, το Leuven και το NJIT το 2007. Πέρασε το καλοκαίρι του 2006 ως ερευνητής στο Ερευνητικό Κέντρο IBM TJ Watson, στο Yorktown Heights, Νέα Υόρκη. Κέρδισε το βραβείο Hashimoto για την καλύτερη διδακτορική του διατριβή το 2007. Είναι ανώτερο μέλος του IEEE, έχει επιμεληθεί 2 βιβλία, έχει συγγράψει και συν-συγγράψει περισσότερες από 50 διεθνείς δημοσιεύσεις, έχει 3 διπλώματα ευρεσιτεχνίας και επίσης είναι κριτής για τουλάχιστον 6 περιοδικά, συμπεριλαμβανομένου του Journal of The Electrochemical SocietyΜπορείτε να επικοινωνήσετε μαζί του στο ψρινιβάσαν@ ti. com.

Σχήμα 7. (α) Βιομηχανική παραγωγή φύλλων γραφενίου. (β) Η τεχνολογία διαφανούς οθόνης αφής της Samsung που χρησιμοποιεί γραφένιο. Αναπαράγεται με άδεια του Nature Nanotechnology, 5, 574 (2010).

Σχήμα 7. (α) Βιομηχανική παραγωγή φύλλων γραφενίου. (β) Η τεχνολογία διαφανούς οθόνης αφής της Samsung που χρησιμοποιεί γραφένιο. Αναπαράγεται με άδεια του Nature.
Νανοτεχνολογία, 5, 574 (2010).

Πηγή: spr11_p047-052.pdf

[/ et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]

Αφήστε μια απάντηση

Η διεύθυνση email σας δεν θα δημοσιευθεί. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται *

Σχετικές αναρτήσεις

Βιογραφικό Applied Physics ΗΠΑ

Από 1992, Applied Physics Η Corporation είναι κορυφαίος παγκόσμιος πάροχος προτύπων ακριβούς ελέγχου μόλυνσης και μετρολογίας. Ειδικευόμαστε στην οπτικοποίηση της ροής του αέρα, στα πρότυπα μεγέθους σωματιδίων και σε λύσεις απολύμανσης καθαρών χώρων για κρίσιμα περιβάλλοντα.

Ανερχόμενα άρθρα