Grafen: Yarı İletkenlerin Geleceği mi? Malzeme, Cihazlar ve Uygulamalara Genel Bir Bakış

Grafen: Yarı İletkenlerin Geleceği mi? Malzeme, Cihazlar ve Uygulamalara Genel Bir Bakış

Yaw Obeng ve Purushothaman Srinivasan tarafından

In  Re-Tweet makale, we girişim için özetlemek the grafen ECS sempozyum serisinin “Graphene, Ge/III-V, Nanoteller ve CMOS Sonrası için Gelişen Malzemeler Başvurular.”1 Kapsamlı ve eksiksiz olmasa da, bir inceleme Bu sempozyumlarda sunulan bildirilerin kısa bir özeti
son birkaç yılda grafen araştırmalarının durumuna bir bakış yıl.

Grafen Tarihi
1947'ye kadar grafenin, eğer izole edilebilirse olağanüstü elektronik özelliklere sahip olacağı tahmin ediliyordu.2,3 Yıllar boyunca, grafen (Şekil 1) yalnızca teoride var olan ve grafen olarak var olmadığı varsayılan bir akademik materyal olarak kabul edildi. kararsız doğası nedeniyle serbest duran bir malzeme. A. Geim, K. Novoselov ve iş arkadaşları, dikkat çekici bir başarı olan, zor bağımsız grafen filmlerini4 başarıyla elde eden ilk kişiler arasındaydı. Bu nedenle, “iki boyutlu malzeme grafeniyle ilgili çığır açan deneyler” için Geim ve Novoselov'a verilen 2010 Nobel Fizik Ödülü, deneysel fizikteki olağanüstü yaratıcılığın tanınması olarak kutlanmalıdır.

Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği (IUPAC), grafeni grafit yapının tek bir karbon tabakası olarak tanımlar ve doğasını neredeyse sonsuz büyüklükte bir polisiklik aromatik hidrokarbona benzeterek tanımlar.5 Bu nedenle, grafen terimi yalnızca reaksiyonlar, yapısal ilişkiler veya tek bir katmanın diğer özellikleri tartışılır. Daha önce, grafen terimi için grafit katmanları, karbon katmanları veya karbon levhaları gibi tanımlar kullanılıyordu.

Şekil 1. Grafen, karbon bazlı malzemeler için 2 boyutlu bir yapı taşıdır. 0D buckyball'lara sarılabilir, 1D nanotüplere yuvarlanabilir veya 3D grafite istiflenebilir. Şekil Nature Mater., 6, 184 (2007) izniyle çoğaltılmıştır.

Grafen İzole Etme Yarışı

Bağımsız grafen filmleri gerçekleştirmek için uzun ve sürekli bir çaba var. Grafen izole etmek için farklı yollar incelenmiştir. Grafeni izole etmek için belgelenmiş en eski girişimlerden biri, fiziksel veya kimyasal yöntemlerle pul pul dökülme idi. Örneğin, grafit ilk olarak 1840'ta C. Schafheutl'un sülfürik ve nitrik asit karışımıyla işlemden geçirerek demir izabe makinelerinden “kish”i arındırmaya çalıştığında pul pul döküldü.⁶ Grafit oksit ilk olarak 1859'da Brodie tarafından, grafitin bir potasyum klorat ve dumanlı nitrik asit karışımı ile işlenmesiyle hazırlandı.^7,8 Boehm ve ark. TEM ile ölçüldüğü gibi, birkaç karbon tabakasından oluşan aşırı ince karbon lamellerinin oluşumunu ya "ısıtma üzerine grafit oksidin parlaması ya da alkalin süspansiyonda grafit oksidin indirgenmesiyle" tanımladı.⁹ TEM numunelerini yapmak için numune hazırlama tekniklerinin, Boehm tarafından tanımlanan lamellerde aksi halde tek olan grafen tabakasının yığılmasıyla sonuçlandığı iddia edilmiştir. ve ark. Bu erken çalışmaların hiçbirinde “serbest duran” grafen veya grafen oksit dosyaları bu şekilde izole edilmedi veya tanımlanmadı.

Geim'in grubu (Şekil 2a), grafit kristal pullarından katmanları soymak için yapışkan bant kullanarak atomik olarak ince grafiti başarılı bir şekilde izole etti ve ardından bu taze katmanları oksitlenmiş bir silikon yüzeye nazikçe ovaladı. Birkaç angstrom kalınlığında olan bu tabakanın kalınlığını AFM kullanarak da belirleyebildiler. “Scotch bant” tekniği, katmanlı kristalleri rutin olarak soymak için yapışkan bant kullanımını çok andırıyor (Örneğin, grafit, mika vb.), taze yüzeyleri ortaya çıkarmak için van der Waals kuvvetleri tarafından bir arada tutulur.^10,11

Son on yılda, Georgia Tech'de Walter de Heer tarafından yönetilen grup, grafeni izole etmek için epitaksiyel büyüme yöntemini kullandı (Şekil 2b). Bir substrat olarak silisyum karbür seçildi ve grup, epitaksiyel grafenin, modellenebilen ve kapılanabilen SiC'nin termal ayrışmasıyla üretilebileceğini gösterdi.¹² Ayrıca, epitaksiyel grafenin 2 boyutlu elektronik özelliklerin yanı sıra kuantum hapsetme ve kuantum tutarlılık etkileri sergilediğini gösterdiler. Aynı zamanda, Philip Kim'in Columbia Üniversitesi'ndeki grubu, grafen katmanlarını grafitten mekanik olarak ayırmak için AFM'yi kullandı. Yaklaşık 10 katmandan oluşan çok katmanlı bir yapıyı izole etmeyi başardılar.¹³

2a. (i) İzole grafenin ilk fotoğraflarından biri. Yapışkan bant kullanarak grafit bir yüzeyden (eksfoliasyon olarak adlandırılan) katmanları koparmak için basit bir teknik kullandılar. http://physicsweb.org'un izniyle. (ii) Grafenin yüksek çözünürlüklü taramalı elektron mikrograf görüntüsü. Physics World'ün izniyle çoğaltılmıştır, Kasım 2006, sayfa 1. (iii) Eksfoliasyon yöntemi kullanılarak çıkarılan grafit katmanların atomik çözünürlüğü. Nature Mater., 6, 185 (2007) Şekil 2b'nin izniyle çoğaltılmıştır. 4H-SiC'nin C yüzündeki epitaksiyel grafen. (i) Çok katmanlı epitaksiyel grafenin enine kesitinin TEM görüntüsü. (ii) Altıgen bir kafes gösteren atomik çözünürlüklü STM görüntüsü. (iii) AFM görüntüsü. Beyaz çizgiler, grafen tabakalarındaki 'buruşmuşlardır'. ECS İşlemlerinin İzniyle, 19(5), 95 (2009).

Son zamanlarda, Ruoff'un ekibi, hidrokarbonların metal substratlar üzerinde kimyasal buhar biriktirmesiyle epitaksiyel büyümeyi kullanarak grafeni başarıyla üretti. Bu durumda metal substrat Cu idi (Şekil 2c).¹⁴ Bu tekniğin avantajı, sadece Cu metal substrat boyutunu ve büyüme sistemini artırarak geniş alanlara kolayca genişletilebilmesidir. Genel olarak, grafenin epitaksiyel büyümesi, üretime yönelik en umut verici yolu sunar ve şu anda bu yönde hızlı ilerleme devam etmektedir. Benzer şekilde, Kong'un MIT'deki grubu da Ni veya Pt gibi metal yüzeyler üzerinde epitaksi yoluyla grafen büyütmüştür (Şekil 2c).¹⁵ Bu metal üzerinde epitaksi tekniğinde, grafen film, birincil metalik substratın kimyasal olarak çıkarılmasıyla uygun çalışma substratları üzerine aktarılır.

Grafenin Özellikleri

Grafen, sp'nin düz bir tek tabakasıdır.² karbon atomları, karbon bazlı malzemeler için temel bir yapı taşı olan iki boyutlu (2D) bir petek kafesine sıkıca paketlenmiştir (Şekil 1). 1947'de Wallace, grafitin birçok fiziksel özelliğini açıklamak için katıların bant teorisini sıkı bağlanma yaklaşımıyla kullandı.³ Bu yazıda, yazar oldukça durugörülü bir varsayımda bulunuyor: "Grafitin kafes düzlemlerinin aralığı, 3.37A katmanındaki altıgen aralıkla karşılaştırıldığında büyük (1.42A) olduğundan, grafitin işlenmesinde bir ilk yaklaşım elde edilebilir. düzlemler arasındaki etkileşimleri ihmal ederek ve iletimin yalnızca katmanlarda gerçekleştiğini varsayarak.” Bu varsayım, sonraki analizleri, şimdi grafen olarak bildiğimiz malzemeye uygun şekilde uygulanabilir hale getirir.

2D grafen sistemi sadece kendi başına ilginç değil; ama aynı zamanda bir tezgah üstü deneyde kuantum elektrodinamiğinin ince ve zengin fiziğine erişim sağlar. Novoselov ve diğerleri.¹⁶ grafen içindeki elektron taşınmasının esasen Dirac'ın (göreceli) denklemi tarafından yönetildiğini gösterdi. Grafendeki yük taşıyıcılar, sıfır durgun kütleye sahip göreli parçacıkları taklit eder ve etkin bir ışık hızına sahiptir, c* ≈ 10⁶ cm^{- 1}s^-1. Çalışmaları, 2D Dirac fermiyonlarının karakteristiği olan çeşitli olağandışı fenomenleri ortaya çıkardı. Özellikle, grafenin iletkenliğinin, yük taşıyıcı konsantrasyonları sıfır olma eğiliminde olsa bile, kuantum iletkenlik birimine karşılık gelen minimum bir değerin altına düşmediğini gözlemlediler. Ayrıca, grafendeki tamsayılı kuantum Hall etkisi, yarı tamsayı doldurma faktörlerinde ve siklotron kütlesinde meydana gelmesi nedeniyle anormaldir. m_c grafen içindeki kütlesiz taşıyıcıların E = m_cc_*².

Grafenin izolasyonunun mümkün kıldığı fiziğin en büyüleyici yönlerinden biri, Klein paradoksu denen şeyin deneysel olarak gösterilmesidir - göreli parçacıkların yüksek ve geniş potansiyel bariyerlerden engelsiz nüfuz etmesi. Bu fenomen parçacık, nükleer ve astrofizikte birçok bağlamda tartışılmaktadır, ancak Klein paradoksunun temel parçacıkları kullanarak doğrudan test edilmesi şimdiye kadar imkansızdı. Katsnelson ve ark. etkinin, tek ve çift katmanlı grafende elektrostatik bariyerler kullanılarak kavramsal olarak basit bir yoğun madde deneyinde test edilebileceğini gösterdi.¹⁷ Yarı-parçacıklarının kiral doğası nedeniyle, bu malzemelerdeki kuantum tünelleme, normal, göreli olmayan elektronların durumundan niteliksel olarak farklı olarak, oldukça anizotropik hale gelir. Grafendeki kütlesiz Dirac fermiyonları, Klein'ın Gedanken deneyinin yakın bir şekilde gerçekleştirilmesine izin verirken, iki katmanlı grafen içindeki devasa kiral fermiyonlar, ilgili temel fiziği aydınlatan ilginç bir tamamlayıcı sistem sunar.

Bu yeni fizik örneklerinin yanı sıra, grafen, aşağıda gösterildiği gibi bazı şaşırtıcı elektronik özellikler göstermiştir.

Grafen içinde şarj taşıyıcıları.—Petek örgüsü boyunca yayılan elektronlar etkin kütlelerini tamamen kaybederler, bu da Şekil 3a ve 3b'de gösterildiği gibi Schrödinger denklemi yerine Dirac benzeri bir denklemle tanımlanan “Dirac-fermiyonları” olarak adlandırılan yarı-parçacıklarla sonuçlanır. Bunlar m kütlesi sıfır olan elektronlar olarak görülebilir.₀ veya elektron yükünü alan nötrinolar olarak e. Çift katmanlı grafen, bilinen analojileri olmayan başka bir tür yarı parçacık gösterir. Hem Dirac hem de Schrödinger denklemlerinin bir kombinasyonu ile tanımlanan masif Dirac fermiyonlarıdır.

Grafenin bant yapısı.—Grafen bir yarı metaldir ve sıfır boşluklu bir yarı iletkendir (Şekil 4a). Ek olarak, çift katmanlı grafenin elektronik bant yapısı, elektrik alan etkisi ile önemli ölçüde değişir ve yarı iletken boşluk ΔE, SiO0.3 ise sürekli olarak sıfırdan ≈XNUMX eV'ye ayarlanabilir.₂ dielektrik olarak kullanılır. IBM tarafından yakın zamanda yapılan bir araştırma, Şekil 0.13b'de gösterilen yapı kullanılarak enerji bandı aralığının 4 eV sırasına ayarlandığına dair kanıt sağladı.

Termal iletkenlik ve hareketlilik.—Grafen, fonon saçılımının çok az olduğu veya hiç olmadığı 2 boyutlu bir malzemedir. Genelde sistemdeki düşük enerjili fononlar ısı transferinde yer alırlar; bu nedenle, daha yüksek termal iletkenlik sunar. Grafen, çift kutuplu elektrik alan etkisi sergiler (Şekil 5a), öyle ki yük taşıyıcılar, 10'a kadar yüksek konsantrasyonlara sahip elektronlar ve delikler arasında sürekli olarak ayarlanabilmektedir.¹³ cm^-2 (Şekil 5b) ve hareketlilikleri 15,000 cm'yi aşan μ² V^-1 s^-1 ortam koşullarında bile. Gözlenen hareketlilikler, T sıcaklığına zayıf bir şekilde bağlıdır; bu, 300 K'de μ'nin hala kirlilik saçılması ile sınırlı olduğu ve bu nedenle önemli ölçüde, hatta belki de ≈ 100,000 cm'ye kadar iyileştirilebileceği anlamına gelir.² V^-1 s^-1. Grafende μ, yüksek n'de (>10) bile yüksek kalır¹² cm^-2) hem elektriksel hem de kimyasal katkılı cihazlarda, mikrometre altı ölçekte balistik taşımaya dönüşen (şu anda 0.3 K'da ≈300 μm'ye kadar).

2c. Cu üzerinde grafen büyümesinin ilk aşamaları. (i) Cu üzerinde grafenin SEM'i. (ii) SiO2/Si üzerindeki grafenin Raman haritaları. (i) ve (ii) bölümleri, ECS Transactions, 19(5), 41 (2009)'in izniyle çoğaltılmıştır. (iii) Ni üzerinde büyütülen ve bir Si levhasına aktarılan grafen filmleri. Nano Lett., 9, 30 (2009) izniyle çoğaltılmıştır.

Sistemin aşırı elektronik kalitesinin bir başka göstergesi de, oda sıcaklığında bile grafende gözlemlenebilen (Şekil 5c), QHE için önceki sıcaklık aralığını 10 kat artıran kuantum Hall etkisidir (QHE). Grafen Uygulamaları

Şekil 3. (a) Schrödinger fermiyonları; yeşil nokta elektrondur. (b) Grafen içindeki Dirac fermiyonları. Science Review, 324, 1531 (2009) izniyle çoğaltılmıştır.

Grafenin önceki bölümde ana hatlarıyla belirtilen olağandışı özellikleri, (i) yüksek optik şeffaflığı, (ii) kimyasal eylemsizliği ve (iii) düşük maliyetiyle birleştiğinde, onu endüstriyel uygulamalarda bolca kullanılabilir hale getirir. Spesifik grafen özelliklerinden yararlanan uygulamaların bir kesiti aşağıda detaylandırılmıştır.

• En yüksek E-alanı kaynaklı konsantrasyonlarda bile yüksek hareketlilik, taşıyıcıların balistik olmasını sağlayarak 300 K'da balistik bir FET cihazına yol açar
• Eh simetrisi ve lineer dağılımı nedeniyle RF ve THz dedektörleri ve lazerler gibi yüksek frekanslı uygulamalar için uygundur.
• Ayrıca kimyasal sensörlerde ve MEMS tabanlı uygulamalarda uygulamaları vardır.
• Grafen tabanlı elektroniğe giden diğer bir yol, grafeni tek elektron-transistör (SET) yapmak için kullanılabilecek bir kanal malzemesi yerine iletken bir levha olarak düşünmektir.
• Süper iletken FET'ler ve oda sıcaklığında spintronics
• Şeffaf elektrotlar

Grafen bazlı ticari olarak uygun cihazlardan biri, özellikleri düşük güç / yüksek hızlı uygulamalar için çok uygun olduğu için RF-FET'tir. IBM, alt tabaka olarak SiC kullanarak 2 inçlik levhalar üzerinde başarılı bir RF-FET imalatını göstermiştir.¹⁸ Cihaz daha iyi Hall hareketliliği sağladığında ve daha yüksek I olduğunda üstün bir elektrik performansı elde ettiler._D ve G_m. Ayrıca, f elde ettiler_t 170 nm kapı uzunluklarında maksimum 90 GHz (Şekil 6a). Samsung ayrıca 6 inç gofretlerde bir RF cihazı için iyi özellikler elde etti¹⁹ 200 um'de 0.24 GHz'e yakın akım kazancı ile (Şekil 6b).

Şekil 4. (a) Grafenin bant yapısı. Değerlik ve iletim bantları Brillouin bölgesinde ayrı noktalarda temas eder. Physics Today, 59(1), 21 (2006) izniyle çoğaltılmıştır. (b) Bir elektrik alanı tarafından çift katmanlı grafende bant aralığı açılmasının şematik gösterimi (i). (ii) Boşluğu açmak için kullanılan cihazın şeması. (iii) Grafen FET'in transfer özellikleri. IEDM Tech'in izniyle çoğaltılmıştır. Özet, 23.1.1, 552 (2010).

Şekil 5. (a) Tek katmanlı grafende Ambipolar E-alan etkisi. Kapı
yüksek hareketliliğin direncinin voltaj ve sıcaklık bağımlılığı
örnek (μ ≈ 20,000 cm2 V-1s−1). (b) üç temsilcide ρ'ya karşı Vg
sıcaklıklar, T = 0.03K, 77K ve 300 K benzer performanslar gösteriyor
sıfır fonon saçılması nedeniyle. (a) ve (b) bölümleri izin alınarak çoğaltılmıştır
Euro'ya ait. Fizik J. Özel Konular, EDP Sciences, Springer-Verlag, 148,
15 (2007). (c) Grafen kiral kuantum Hall etkileri. ile yeniden üretildi
Physics Today'in izni, 60(8), 35 (2007).

Her iki durumda da kapı dielektrik olarak yüksek k malzemesi kullanılmış olsa da, malzemesinden dolayı h-BN daha iyi bir seçim gibi görünüyor.

özellikleri²⁰ grafene yakındır (Şekil 6c). Yapı, grafen cihazının hareketliliğini artıran grafitin yalıtkan bir izomorfudur. Ancak, bu cihazların performansını sınırlayan önemli bir sorun, zayıf temas direncidir; temas direnci değerleri şu anda kilo-ohm mertebesindedir.

Grafenin bir başka potansiyel yakın vadeli uygulaması, Samsung tarafından gösterilen şeffaf dokunmatik ekrandır.²¹ Bir silindir kullanılarak, CVD ile büyütülen grafen, yapışkan bir polimer desteğine bastırılarak aktarıldı ve daha sonra bakır, aşındırılarak uzaklaştırıldı ve grafen filmi polimere bağlı kaldı. Grafen daha sonra polietilen tereftalat (PET) gibi nihai bir alt tabakaya karşı tekrar silindirler ve ısıtılarak serbest bırakılan polimer yapıştırıcı kullanılarak preslenebilir. Sonraki grafen katmanları daha sonra benzer bir şekilde eklenebilir ve büyük bir grafen filmi oluşturulur. Grafen, bir dokunmatik ekranlı cihaz uygulamasında çalıştığı gösterilen büyük, şeffaf bir elektrot elde etmek için nitrik asit ile işlenerek katkılandı (Şekil 7). Bu grafen elektrot, şu anda ITO gibi şeffaf iletken oksitlerden yapılan bu tür uygulamalarda kullanılan geleneksel şeffaf elektrotların yerini alabilir. Bununla birlikte, grafen elektrot daha iyi şeffaflığa sahiptir ve daha dayanıklıdır. ITO gibi oksit malzemeler genellikle kırılgandır ve zayıftır, bu da sınırlı bir ömre neden olur; Öte yandan, grafen tabanlı ekranların uzun bir ömre sahip olması gerekir.

Şekil 6. Akım kazancı ft, maksimum özellikler: (a) 170 nm kapı uzunluğu için 90 GHz'lik kesme frekansını gösteren IBM.17'nin izniyle çoğaltılmıştır.
IEDM Tekn. Özet, 9.6.1-9.6.3, 226 (2010); (b) 200 μm kapı uzunluğu için 0.24 GHz kesme frekansını gösteren Samsung.18 İzinle çoğaltılmıştır
IEDM Tech. Özet, 23.5.1-23.5.4, 568 (2010); ve (c) Geçit dielektrik olarak BN kullanılarak imal edilen 0.44 um cihazın içsel IV özellikleri. düz çizgiler
model uydurma eğrilerini gösterir.19 IEDM Tech'in izniyle çoğaltılmıştır. Özet, 23.2.1-23.2.4, 556 (2010).

Yazarlar Hakkında

yaw Obeng kurumsal, girişimci ve akademik ortamlarda 20 yılı aşkın kanıtlanmış teknik liderliğe sahiptir. Halen, Maryland, Gaithersburg'daki Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü'nde (NIST) Mikroelektronik Programları Ofisi'nde Kıdemli Bilim Adamı olarak görev yapmaktadır.

Daha önce AT&T/Lucent Technologies/ Agere Systems Bell Laboratories ve Texas Instruments ile çalışmıştı. Aynı zamanda yarı iletken ve optoelektronik üretimi için yeni malzemelerin geliştirilmesine adanmış iki yeni kurulan şirketin (psiloQuest, Inc. ve Nkanea Technologies, Inc.) kurucu ortağıdır. Kendisi 50'den fazla ABD ve uluslararası patentin mucididir ve çeşitli teknik yayınlarda 100'ün üzerinde makalesi yayınlanmıştır. Dr. Obeng, Clemson Üniversitesi'nde ve Orlando'daki Central Florida Üniversitesi'nde yardımcı profesörlük görevlerine sahiptir ve burada birçok yüksek lisans öğrencisine danışmanlık yapmıştır. Kendisi Amerikan Kimyagerler Enstitüsü'nün üyesidir. Kendisine şu adresten ulaşılabilir: yaw.obeng@nist.gov.

Purushothaman Srinivasan şu anda Texas Instruments, Dallas'ta Teknik Personel Üyesidir. 1/f gürültüye vurgu yaparak düşük güçlü uygulamalar için gelişmiş CMOS cihazlarının araştırılması ve geliştirilmesinde yer almıştır. Şu anki faaliyetleri arasında ECS'de grafen sempozyumları düzenlemek yer alıyor. Aynı zamanda ECS'de Dielektrik Bilim ve Teknoloji Bölümü'nün yönetim kurulu üyesi ve Üyelik Başkanıdır. Aynı zamanda SRC Teknik Danışma Kurulu üyesi ve çeşitli projelerde irtibat üyesidir. TI'ye katılmadan önce, doktora derecesini 2007 yılında IMEC, Leuven ve NJIT'den aldı. 2006 yazını Yorktown Heights, NY'deki IBM TJ Watson Araştırma Merkezi'nde araştırmacı olarak geçirdi. 2007 yılında en iyi doktora tezi için Hashimoto Ödülü'nü kazandı. IEEE'nin kıdemli bir üyesidir, 2 kitabın editörlüğünü yapmıştır, 50'den fazla uluslararası yayının yazarlığını ve ortak yazarlığını yapmıştır, 3 patenti vardır ve ayrıca en az 6 tanesinde hakemlik yapmaktadır. dergiler başta olmak üzere Elektrokimya Derneği Dergisi. Kendisine şu adresten ulaşılabilir: psrinivasan@ ti. com.

Şekil 7. (a) Grafen levhaların endüstriyel üretimi. (b) Samsung'un grafen kullanan şeffaf dokunmatik ekran teknolojisi. Doğanın izniyle çoğaltılmıştır
Nanoteknoloji, 5, 574 (2010).

Kaynak: spr11_p047-052.pdf