Grafenové nanostuhy

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 21. dubna 2021; kontroly vyžadují 3 úpravy .

Grafenové nanoružky jsou úzké proužky grafenu o šířce asi 10–100 nm . Ve svých fyzikálních vlastnostech se liší od širších vzorků, které mají zákon lineární disperze, jako v nekonečném grafenu. Nanoribbony jsou zajímavé tím, že mají nelineární disperzní zákon a polovodičové vlastnosti díky přítomnosti zakázaného pásu , která závisí na šířce pásky a uspořádání atomů na hranicích. Grafenové nanoružky jsou proto považovány za důležitý krok při vytváření tranzistoru na bázi grafenu, který bude fungovat při pokojové teplotě.

Výrobní metody

Hlavní metodou přípravy vzorků grafenu je mechanická exfoliace vrstev pyrolytického grafitu pomocí lepicí pásky a následné nanesení vysoce dopovaného křemíku potaženého dielektrickou vrstvou (SiO 2 ) na substrát. Při použití této metody probíhá hledání grafenu v optickém mikroskopu, a protože v tomto případě nelze zkoumat nanoobjekty, je nejprve nalezen poměrně velký vzorek. Je podroben standardnímu postupu pro použití elektronové litografie, který dosahuje rozlišení řádově 10 nm. Nejprve se uzavře substrát s grafenem naneseným elektronovým rezistem a rezist se osvětlí pomocí elektronového paprsku s nanesením požadovaných rozměrů grafenových nanoribbonů a po odstranění neexponovaného rezistu (u negativního rezistu nebo naopak odstranění exponovaného rezistu pro kladný odpor), provádí se plazmové leptání . V pracích [1] [2] byl použit elektronický odpor HSQ .

Chemickou metodou [3] byly vytvořeny nanorribbony o šířce menší než 10 nm. Tato metoda vyžaduje tepelně expandovaný grafit . Tato metoda nezahrnuje použití litografie a leptání, takže hranice nanorribbonů jsou hladké.

Existuje další metoda [4] , která nepoužívá litografii, protože maska je zde tenké křemenné vlákno (průměr 200 nm), které zabraňuje možnému poškození a kontaminaci během litografie. Metoda navíc není časově náročná.

Ideální nanorbondy

Vzhledem k tomu, že grafen je polokov, není možné se v něm zbavit nosičů aplikací hradlového napětí, a proto bude v grafenových strukturách vždy docházet k vysokému svodovému proudu. K překonání tohoto nežádoucího efektu se navrhuje použít úzké proužky grafenu, které se pro svou velikost nazývají nanoribbony, kde je díky efektu kvantové velikosti možný vznik zakázaného pásu , jehož šířka je inverzně úměrné příčné velikosti pásky. [1] [2] [5]

Ne všechny nanopásky však teoreticky mají zakázané pásmo, protože to silně závisí na umístění hraničních atomů, a obecně všechny nanoružky s uspořádáním atomů na hraně klikatě (acene edge) ( angl. cik-cak ) nemají zakázané pásmo, to znamená, že jsou kovové. [6] Na Obr. 1. ukazuje, jak lze z nekonečného grafenu vyříznout různé nanoružky v závislosti na orientaci s různým uspořádáním atomů na hranicích. Pokud jsou atomy uspořádány v křesle (hrana fenantrenu) ( angl. armchair ), a jejich počet je odlišný od N=(3M-1), kde M je celé číslo, vznikne zakázané pásmo [7] , N je počet dimerů, jak je uvedeno u rýže. 2, šířka nanopásky. Existuje jednoduchý analytický model [6] založený na použití Diracovy rovnice pro grafen , který lze použít k odhadu zakázaného pásu pro ideální grafenové nanoribbony, kde jsou hraniční atomy uspořádány do tvaru křesla nebo klikatě. vzor (viz obr. 2). Ke studiu grafenových nanoribbonů s hrubými hranicemi se používají analytické metody: adiabatická aproximace [8] ; nebo složitější numerické simulační metody: aproximace těsné vazby [9] [5] [10] , hustotní funkcionální metoda [11] [12] [13] .

Vytvoření zakázané zóny

Když se na rozhraní objeví defekty, nanopásky přecházejí z kovového stavu do stavu polovodičového. Protože pomocí litografie není možné dosáhnout atomární přesnosti , nebylo dosud možné získat kovový nanopásek.

Experiment

Pomocí elektronové litografie lze z grafenu vytvořit úzké proužky až do 20 nm. [1] Kvůli efektu kvantové velikosti je zakázané pásmo při šířce pásu 20 nm 28 meV . Zmenšením šířky nanopásky lze dosáhnout větší mezery v pásmu, protože je nepřímo úměrná šířce. Zde chybí elektronová litografie a byla navržena chemická metoda, jak získat grafenové nanoružky z grafitu. [3] Pomocí této metody je možné vytvořit nanoribbony s hladkými hranicemi a šířkou menší než 10 nm. [14] Tyto tranzistory, které používaly vysoce dopovaný křemíkový substrát jako zpětné hradlo , vykazovaly poměr zapnuto-vypnuto asi 106 při pokojové teplotě. Kvůli Schottkyho bariéře mezi kovovým kontaktem ( Pd nebo Ti / Au ) a grafenem byl kontaktní odpor asi 60 kΩ pro nanoribbony široké asi 2,5 nm a odhadovaná mobilita nosiče byla asi 100 cm²V -1 s -1 .

Pro nanoribbon o délce 850 nm a šířce 30 nm byla měřena vodivost (vodivost) jako funkce hradlového napětí při aplikovaném konstantním předpětí 10 mV [15] . Vodivost při pokojové teplotě měla hladkou charakteristiku ve tvaru V, ale když byla teplota snížena na 90 K, objevilo se několik kvantizačních plató s krokem 1,7 μS. Toto kvantování vodivosti je spojeno s tvorbou velikostně kvantovacích subpásem v úzkých pásech šířky , když je vlnový vektor částic kvantován v příčném směru , kde je celé číslo. Energie kvazičástic v jednorozměrných dílčích pásmech je popsána výrazem $W$ $k_{\bot }W=\pi m$ $m$

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

kde je Planckova konstanta, je Fermiho rychlost, je vlnový vektor spojený s pohybem podél nanopásky, je parametr, který závisí na krystalografické orientaci. Pásmová mezera se rovná $\hbar$ $VF}$ $k_{||}$ $\alpha$

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

kde je vzdálenost mezi úrovněmi. Vodivost nanopásek je popsána následujícím výrazem $\Delta E=\hbar v_{F}\pi /W$

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

kde je nosný přenosový koeficient pro každé dílčí pásmo, je Fermi-Diracova distribuční funkce a μ je chemický potenciál. Koeficienty se mění v krocích, to znamená, že když energie E překročí úroveň kvantování velikosti, koeficient se stane nenulovým (pro zjednodušení se bere jako jedna). Kvůli teplotnímu rozšíření nebude kvantování vodivosti jako funkce Fermiho energie (chemický potenciál) a následně hustoty nosiče a napětí hradla patrné při pokojové teplotě s šířkou nanopásku 30 nm, ale je zřetelně patrný při nižších teplotách (viz obr. 3). $T_{i}(E)$ $f_{0}=1/(1+\exp {(E-\mu )/kT})$ $T_{i}(E)$

Poznámky

↑ 1 2 3 Chen Zh. et. al. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40 , 228 (2007) doi : 10.1016/j.physe.2007.06.020 Předtisk Archivováno 18. srpna 2016 ve 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 Archived 2. února 2017 na Wayback Machine
↑ 1 2 Li X., et. al. Chemicky odvozené, ultrahladké grafénové nanoribbonové polovodiče Science 319 , 1229 (2008) doi : 10.1126/science.1150878
↑ Staley N. et. al. Bezlitografická výroba grafenových zařízení Appl. Phys. Lett. 90 , 143518 (2007) doi : 10.1063/1.2719607
↑ 1 2 Chung, HC; Chang, C. P.; Lin, C. Y.; Lin, M. F. (2016). „Elektronické a optické vlastnosti grafenových nanoribbonů ve vnějších polích“. Fyzikální chemie Chemická fyzika . 18 (11): 7573–7616. DOI : 10.1039/C5CP06533J .
↑ 1 2 Brey L. a Fertig HA Elektronické stavy grafenových nanoribbonů studované pomocí Diracovy rovnice Phys. Rev. B 73 , 235411 (2006) doi : 10.1103/PhysRevB.73.235411 Předtisk
↑ Nakada K. et al ., 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 Kvantování vodivosti v grafenových nanoribbonech: Adiabatická aproximace Eur. Phys. J. B 57 , 225 (2007) doi : 10.1140/epjb/e2007-00168-5 Předtisk
↑ Fujita M., Wakabayashi K., Nakada K. a Kusakabe K. (1996). "Zvláštní lokalizovaný stav na klikaté hraně grafitu." Journal of the Physics Society Japan . 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). „Zkoumání pravidel optického výběru závislých na hraně pro grafenové nanoribbony“. Optika Express . 19 (23): 23350-63. arXiv : 1104.2688 . Bibcode : 2011OExpr..1923350C . DOI : 10.1364/OE.19.023350 . PMID22109212 . _
↑ Barone V. et al ., Elektronická struktura a stabilita polovodičových grafenových nanoribbonů 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. Všechny polovodičové tranzistory s efektem pole pod 10nm grafenové nanoribbonové tranzistory při pokojové teplotě Phys. Rev. Lett. 100 , 206803 (2008) doi : 10.1103/PhysRevLett.100.206803 Předtisk Archivováno 2. února 2017 ve Wayback Machine
↑ Lin Y.-M. kond. rohož