Undersøgelse kvantificerer elektrontransporteffekterne ved at placere metalkontakter på grafen

Ved hjælp af storskala supercomputerberegninger, forskere har analyseret, hvordan placeringen af ​​metalliske kontakter på grafen ændrer materialets elektrontransportegenskaber som en faktor for forbindelseslængden, bredde og orientering. Arbejdet menes at være den første kvantitative undersøgelse af elektrontransport gennem metal-grafen-kryds for at undersøge tidligere modeller i væsentlige detaljer.

Oplysninger om, hvordan fastgørelse af metalkontakter påvirker elektrontransport i grafen, vil være vigtig for forskere, der studerer materialet - og for designere, som måske en dag fremstiller elektroniske enheder af kulstofgittermaterialet.

"Graphene-enheder bliver nødt til at kommunikere med den ydre verden, og det betyder, at vi bliver nødt til at fremstille kontakter til at transportere strøm og data, " sagde Mei-Yin Chou, en professor og afdelingsformand på School of Physics ved Georgia Institute of Technology. "Når de sætter metalkontakter på grafen for at måle transportegenskaber, forskere og enhedsdesignere skal vide, at de muligvis ikke måler de uafhængige egenskaber ved uberørt grafen. Kobling mellem kontakterne og materialet skal tages i betragtning."

Oplysninger om metalkontakters virkninger på grafen blev rapporteret i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve den 19. februar. Undersøgelsen blev støttet af det amerikanske energiministerium, og involverede interaktioner med forskere ved National Science Foundation (NSF)-støttede Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) ved Georgia Tech.

Ved hjælp af stor skala, første principberegninger udført på to forskellige NSF-understøttede supercomputercentre, Georgia Tech-forskerholdet - som omfattede postdoc-stipendiater Salvador Barraza-Lopez og Mihajlo Vanevic, og adjunkt Markus Kindermann - udførte detaljerede beregninger på atomniveau af aluminiumskontakter dyrket på grafen.

Beregningerne studerede to kontakter med en afstand på op til 14 nanometer, med grafen suspenderet mellem dem. I deres beregninger, forskerne lod aluminiumet vokse, som det ville i den virkelige verden, undersøgte derefter, hvordan elektronoverførsel blev induceret i området omkring kontakterne.

"Folk har været i stand til at komme med fænomenologiske modeller, som de bruger til at finde ud af, hvad effekterne er med metalliske kontakter, " Chou forklarede. "Vores beregninger gik et par skridt længere, fordi vi byggede kontakter atom-for-atom. Vi byggede atomistisk løste kontakter, og ved at gøre det, vi løste dette problem på atomniveau og forsøgte at gøre alt i overensstemmelse med kvantemekanikken."

Fordi metaller typisk har overskydende elektroner, fysisk fastgørelse af kontakterne til grafen forårsager en ladningsoverførsel fra metallet. Gebyr begynder at blive overført, så snart kontakterne er konstrueret, men i sidste ende når de to materialer ligevægt, Sagde Chou.

Undersøgelsen viste, at ladningsoverførsel ved ledningerne og ind i den fritstående del af materialet skaber en elektron-hul-asymmetri i konduktansen. For leads, der er tilstrækkelig lange, effekten skaber to konduktansminima ved energierne af Dirac-punkterne for de ophængte og fastklemte områder af grafen, ifølge Barraza-Lopez.

"Disse resultater kan være vigtige for designet af fremtidige grafenenheder, " sagde han. "Kanteffekter og virkningen af ​​nanobåndsbredde er blevet undersøgt i betydelige detaljer, men virkningerne af afgiftsoverførsel ved kontakterne kan potentielt være lige så vigtige."

Forskerne modellerede aluminium, men tror, ​​at deres resultater vil gælde for andre metaller som kobber og guld, der ikke danner kemiske bindinger med grafen. Imidlertid, andre metaller såsom chrom og titanium ændrer kemisk materialet, så virkningerne de har på elektrontransport kan være anderledes.

Ud over de nye oplysninger fra beregningerne, forskningen foreslår endvidere kvantitative modeller, der under visse omstændigheder kan bruges til at beskrive kontakternes effekt.

"Tidligere modeller havde været baseret på fysisk indsigt, men ingen vidste rigtigt, hvor trofast de beskrev materialet, "Kindermann sagde." Dette er den første beregning, der viser, at disse tidligere modeller under visse omstændigheder gælder for de systemer, vi studerede. "

Data fra undersøgelsen kan en dag hjælpe enhedsdesignere med at konstruere grafenkredsløb ved at hjælpe dem med at forstå de effekter, de ser.

"Når vi ændrer grafen, vi skal forstå, hvilke ændringer der sker som følge af tilføjelse af materialer, "tilføjede Chou." Dette er virkelig grundlæggende forskning for at forstå disse effekter og for at have en numerisk forudsigelse for, hvad der foregår. Vi hjælper med at forstå den grundlæggende fysik af grafen."