HΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΠΟ ΓΡΑΦΕΝΙΟ Υπεύθυνος καθηγητής:Δ.Τσουκαλάς Κεραμίδας Γιάννης

Δομή Γραφενίου Δισδιάστατος κρύσταλλος γραφίτη Απομονώθηκε μόλις το 2005. (Novoselov&Geim) Κυψελλωτό πλέγμα Κατασκευή φουλλερενίων (0-D), νανοσωλήνων άνθρακα (1-D) και γραφίτη (3-D)

Δομή του Γραφενίου Θεωρητικά αδύνατη δομή Αποδεδειγμένο από τους Landau και Peierls Πράγματι το γραφένιο ‘διπλώνει’ στην τρίτη διάσταση. TEM

Κατασκευή Γραφενίου Χημική απολέπιση (ανεπιτυχής) Μηχανικός διαχωρισμός (επιτυχής) Τρίβοντας γραφίτη πάνω σε κάποια επιφάνεια. Τα ατομικά επίπεδα γίνονταν ορατά με οπτικό μικροσκόπιο πάνω σε υπόστρωμα SiO2 Ακολουθεί εξακρίβωση με μικροσκόπιο ατομικής δύναμης.

Κατασκευή Γραφενίου AFM Οπτικό μικροσκόπιο SEM

Φυσική του Γραφενίου Οι φορείς, λόγω του πλέγματος, υπακούουν στην εξίσωση του Dirac για άμαζα φερμιόνια! Οι φορείς εξακολουθούν να είναι ηλεκτρόνια και οπές, χάνουν όμως την ενεργό τους μάζα. Έτσι το γραφένιο λειτουργεί ως κυματοδηγός για ηλεκτρόνια.

Φυσική του Γραφενίου Λόγω των παραπάνω, με το γραφένιο μπορούν να μελετηθούν φαινόμενα της QED που δεν εμφανίζονται στις υψηλές ενέργειες όπως: Κβαντικό φαινόμενο Hall (ακέραιο και κλασματικό) Παράδοξο του Klein Zitterbewegung Μελέτη της QED σε καμπύλο χώρο κυρτώνοντας κατάλληλα ένα φύλλο γραφενίου.

Κβαντικό φαινόμενο Hall Ανάλογο με το κλασσικό μόνο που εμφανίζεται ακριβής κβάντωση της αγωγιμότητας. Η αγωγιμότητα εμφανίζεται κβαντωμένη σε ημιακέραιες τιμές της φυσιολογικής μονάδας 4e2/h. Αυτό εξαφανίζεται αν πάει κανείς σε δύο επίπεδα γραφενίου.

Κβαντικό φαινόμενο Hall

Ηλεκτρονικές Ιδιότητες Γραφενίου Ημιαγωγός μηδενικού χάσματος (πρόβλημα για την κατασκευή διατάξεων). Μεγάλη ευκινησία φορέων μ=15000cm2 V-1 s-1 που μπορεί να φτάσει έως 100000 cm2 V-1 s-1 Η ευκινησία των φορέων είναι ανεξάρτητη της θερμοκρασίας. Βαλλιστική μεταφορά ηλεκτρονίων

Ηλεκτρονικές διατάξεις γραφενίου Η τεχνολογία του Si πλησιάζει τα όριά της. Αναζήτηση υλικών για την αντικατάσταση του Si:Υποψήφιοι οι νανοσωλήνες άνθρακα. Άλυτο το πρόβλημα της μεταφοράς τους ενώ το γραφένιο παράγεται ήδη πάνω στο υπόστρωμα. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό για κανάλι σε FET.

Κλασσικό FET Συσκευή τριών ηλεκτροδίων: πηγή(S)-απαγωγός(D)-πύλη(G) Πηγή-απαγωγός από υλικό Ν-τύπου. Πύλη πάνω σε Ρ-τύπου υπόστρωμα. Η βασική ιδέα βρίσκεται στο ότι ελέγχοντας την τάση στην πύλη ελέγχει κανείς το ρεύμα μεταξύ πηγής και απαγωγού. Βασική δομική μονάδα για την κατασκευή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

MOSFET

JFET

Μεταλλικά Τρανζίστορ Υπάρχει επιθυμία επέκτασης της επίδρασης πεδίου σε μεταλλικά υλικά. Τέτοια τρανζίστορ θα κατανάλωναν λιγότερη ενέργεια και θα λειτουργούσαν σε υψηλότερη συχνότητα. Χρειάζονται μέταλλα ατομικών διαστάσεων. Εδώ το γραφένιο μπορεί να βοηθήσει.

Μεταλλικά Τρανζίστορ Προσφέρει μεγάλη ευκινησία φορέων ανεξάρτητη της θερμοκρασίας. Μέση ελεύθερη διαδρομή: L=0,4μm=> Βαλλιστική μεταφορά ηλεκτρονίων.

Μεταλλικά Τρανζίστορ Διαπιστώνεται ότι μπορεί να υποστεί νόθευση.(ατμοί Η2Ο:Ρ-τύπου, ατμοί ΝΗ3:Ν-τύπου) Γραμμική Ι-V. Αντέχει τεράστια ρεύματα>108Α/cm2 Λόγος αντιστάσεων on-off=30.(ανεκτό για εφαρμογές) Vg

FET από γραφένιο Περιορισμός του εύρους ενός φύλλου γραφενίου δημιουργεί χάσμα. Το γραφένιο κόβεται με λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσμης και διαμορφώνεται σε FET με εγχάραξη πλάσματος. Βρίσκεται ήδη πάνω σε Ρ-τύπου υπόστρωμα Si με επικάλυψη 200nm SiO2 Πηγή,πύλη και απαγωγός έγιναν από ηλεκτρόδια χρυσού.

FET από γραφένιο Εγχάραξη γραφενίου

FET από γραφένιο Διάταξη FET με κανάλι γραφενίου Επίδραση πεδίου στο γραφένιο

FET από γραφένιο Το κανάλι σε όλες τις συσκευές είχε μήκος 1μm. Πηγή και απαγωγός από ηλεκτρόδια παλλαδίου. Σε όλες τις συσκευές το ρεύμα σε σχέση με την τάση είναι γραμμικό. Το minimum του ρεύματος αλλάζει από συσκευή ενώ και στην ίδια συσκευή αλλάζει με τη θερμοκρασία. Αυτό αποδίδεται σε παγιδευμένους φορείς στο υπόστρωμα.

FET από γραφένιο Η ειδική αντίσταση αυξάνει με τη μείωση του εύρους. Η εξήγηση βρίσκεται στα φαινόμενα άκρων.(Η λιθογραφία δεν έχει ακρίβεια μεγαλύτερη από nm στο κόψιμο.)

FET από γραφένιο Σύγκριση των Ι-V σε λεπτές και παχιές λωρίδες. Φαίνεται καθαρά η ύπαρξη χάσματος στην λεπτή λωρίδα.

FET από γραφένιο Ιoff~Exp(-Eg/2kT) Άρα με διάγραμμα Arrhenius βρίσκεται το χάσμα στα 28 meV.

FET από γραφένιο Επίδραση της νόθευσης με ποτάσσιο. Η μεταβολή του Vg για το minimum ρεύμα αποτελεί την ένδειξη για μεταβολή του επιπέδου Fermi άρα την ύπαρξη νόθευσης.

FET από γραφένιο Ο θόρυβος γενικά αυξάνει με τη μείωση του μεγέθους (κανόνας του Hooge). O θόρυβος στο γραφένιο είναι 1/f. Η προέλευσή του είναι εξωγενής (παγιδευμένοι φορείς στο υπόστρωμα)

Άλλες χρήσεις του γραφενίου Ως σκόνη για την κατασκευή αγώγιμων πολυμερών. Ως σκόνη σε μπαταρίες Ως αποθηκευτικό υλικό για Υδρογόνο. Ως υλικό για laser ημιαγωγών και άλλων οπτοηλεκτρονικών συσκευών.(ειδικά σε 2 επίπεδα γραφενίου το χάσμα μπορεί να ρυθμιστεί από 0 έως 0.3eV)

Βιβλιογραφία S.O.Kasap: Αρχές των ηλεκτρονικών διατάξεων Δ.Τσουκαλάς: Σημειώσεις του μαθήματος ‘Φυσική Των Ηλεκτρονικών Διατάξεων’ The rise of graphene Nature 2007 (6) A.K.Geim K.S.Novoselov Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films SCIENSE 2004 (306) K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang, Y.Zhang, S.V.Dubonos, I.V.Grigorieva,A.A.Firsov. Graphene Nano-Ribbon Electronics arXiv:cond-mat/0701599v1 Z.Chen, Y.M.Lin, P.Avouris. A Graphene Field-Effect Device IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS 2007 (28) M.Lemme, T.J.Echtermeyer,M Baus,H.Kurz The structure of suspended graphene sheets Nature2007 (446) K.S.Novoselov, A.K.Geim, T.J.Booth, M.I.Katsnelson,J.C.Meyer, S.Roth. Two-dimensional gas of massless Dirac Fermions in graphene Nature 2005 (438) K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang, S.V.Dubonos, I.V.Grigorieva,A.A.Firsov, M.I.Katsnelson. Two-dimensional atomic crystals PNAS 2005 (102) K.S.Novoselov, A.K.Geim, S.V.Morozov, D.Jiang,V.V.Khotkevich, F.Schedin,T.J.Booth.