Автор AZoNano 4 июня 2021 г.

Ученые из Университета Осаки совместно с Университетом Тойо и Технологическим институтом Кюсю выяснили механизм выражения металлических и полупроводниковых свойств в графеновых нанолентах (ГНЛ), изучив характеристики переноса носителей в полевых условиях. транзистор с эффектом (FET) через многослойный канал GNR .

Используя твердый шаблон, исследователи создали многослойные ГНЛ с точно регулируемым количеством слоев с помощью метода химического осаждения из паровой фазы.

Это позволило нам сравнить наблюдаемые свойства переноса носителей в полевом транзисторе с использованием многослойного канала ГНР с различным количеством слоев и моделирования устройства на основе теоретических расчетов .

Риота Негиси, первый автор исследования, Университет Осаки

Исследование показало, что поведение переноса носителей заряда FET-GNR варьируется от полупроводниковых до металлических характеристик, таких как полупроводниковое поведение для некоторых слоев (от 1 до 3 слоев) и поведение металла для многослойных (от 6 до 8 слоев), как показано на изображение выше.

Это связано с уменьшением воздействия заряженных примесей на подложку устройства (SiO ₂ / Si).

На изображении выше показана карта поверхностного потенциала многослойного и однослойного графена, оцененная путем моделирования устройства.

В этом примере однослойного ГНР локальные высокопотенциальные барьеры создаются заряженными примесями на подложке; но в примере многослойных ГНЛ поверхностный потенциал становится плоским из-за эффекта экранирования поля между слоями.

На приведенном выше изображении схематично показан поверхностный потенциал многослойных и однослойных ГНЛ. Локальные высокопотенциальные барьеры влияют на перенос носителей монослойного ГНЛ на подложку устройства из-за заряженных примесей и, таким образом, демонстрируют прыжковую проводимость по барьерам, поддерживаемым тепловой энергией.

В частности, электроны проводимости в тонкой одномерной структуре, такой как однослойный ГНР, локализованы и проявляют свойства, аналогичные свойствам полупроводников, потому что локально созданные потенциальные барьеры разделяют текущий проход в тонком канале ГНР.

Напротив, в случае многослойного ГНЛ электрическое поле заряженных примесей значительно уменьшается по мере увеличения числа слоев из-за эффекта экранирования между слоями, а потенциал вблизи верхнего слоя становится плоским и проявляет металлические свойства с высокой проводимостью.

На изображении выше также показаны наблюдаемые характеристики транспортировки несущей полевого транзистора с каналом GNR в зависимости от количества слоев. Когда количество слоев достигает примерно пяти, свойства переноса носителей меняются с полупроводниковых на металлические.

Толщина пятислойной пленки хорошо согласуется с длиной экранирования (приблизительно 1,5 нм) электрического поля из-за наличия заряженных примесей на подложке. Это показывает, что свойства переноса носителей (то есть металлические и полупроводниковые характеристики) в реальных устройствах ГНР определяются наличием или отсутствием воздействия окружающей среды.

Нам удалось управлять полупроводниковыми и металлическими свойствами полевых транзисторов с помощью многослойных ГНЛ, модулируя количество слоев. GNR с превосходными транспортными свойствами носителей привлекают внимание как материалы для электронных устройств следующего поколения.

Риота Негиси, первый автор исследования, Университет Осаки

« В этом исследовании представлены рекомендации по проектированию GNR, которые включают в себя реальные конструкции устройств. Это достижение является важной вехой, которая ускорит применение материалов GNR для таких целей, как высокоскоростные транзисторы и сверхтонкая проводка », – заключил Негиши.

Ссылка на журнал:

Negishi, R., и др. . (2021) Точка кроссовера полевого транзистора и межсоединения в турбостратном многослойном канале из графеновых нанолент. Научные отчеты . doi.org/10.1038/s41598-021-89709-z.

Источник: https://www.osaka-u.ac.jp/en[19459008visible