Delikat åbning af et båndgab i grafen muliggør højtydende transistorer

(Phys.org) - Elektroner kan bevæge sig gennem grafen med næsten ingen modstand, en egenskab, der giver grafen et stort potentiale for udskiftning af silicium i næste generation, meget effektive elektroniske enheder. Men i øjeblikket er det meget svært at kontrollere elektronerne, der bevæger sig gennem grafen, fordi grafen ikke har noget båndgab, hvilket betyder, at elektronerne ikke behøver at krydse nogen energibarriere for at lede elektricitet. Som resultat, elektronerne leder altid, hele tiden, hvilket betyder, at denne form for grafen ikke kan bruges til at bygge transistorer, fordi den ikke har nogen "slukket" tilstand. For at styre elektronbevægelsen i grafen og aktivere "off" -tilstande i fremtidige grafentransistorer, grafen har brug for et båndgab uden nul-en energibarriere, der kan forhindre elektroner i at lede elektricitet, når det ønskes, gør grafen til en halvleder i stedet for en fuld leder.

I en ny undersøgelse, forskere har åbnet et båndgab i grafen ved omhyggeligt at doping begge sider af to -lags grafen på en måde, der undgår at skabe uorden i grafenstrukturen. Delikat åbning af et båndgab i grafen på denne måde gjorde forskerne i stand til at fremstille en grafenbaseret hukommelsestransistor med det højeste indledende program/slet strømforhold, der er rapporteret til dato for en grafentransistor (34,5 sammenlignet med 4), sammen med det højeste on/off -forhold for en enhed af sin art (76,1 sammenlignet med 26), samtidig med at grafens naturligt høje elektronmobilitet (3100 cm ² /V · s).

Forskerne, ledet af professor Young Hee Lee ved Sungkyunkwan University og Institute for Basic Science i Suwon, Sydkorea, har offentliggjort deres papir om den nye metode til at åbne et båndgab i grafen i et nylig nummer af ACS Nano .

"Vi har med succes demonstreret en grafen -transistor med et højt on/off -forhold og mobilitet ved hjælp af kemiske metoder og viste dens gennemførlighed som en hukommelsesapplikation med et betydeligt forbedret program/slet strømforhold, "første forfatter Si Young Lee, ved Institute for Basic Science og Harvard University, fortalt Phys.org .

Deres metode er baseret på at anvende et lodret elektrisk felt gennem dobbeltlaget grafen, som har vist sig at bryde symmetrien mellem de to grafenlag. Denne ændring skaber atomsteder med forskellige elektriske potentialer, som producerer et båndgab. Tidligere undersøgelser har også brugt denne strategi, hvor det elektriske felt genereres ved "dobbeltsidet doping" af modsatte sider af dobbeltlaget med forskellige kemikalier. Imidlertid, de tidligere resultater har været begrænsede på grund af ineffektive typer og niveauer af dopemidler, som har genereret relativt små elektriske felter og også har beskadiget den stærkt ordnede grafenstruktur.

I den nye undersøgelse, forskerne demonstrerer, at en nøgle til forbedring af disse områder er valget af benzylviologen (BV) som et elektron-donerende (n-type) dopemiddel i bunden af ​​det dobbeltlagede grafen. Oversiden dopes derefter blot med ilt og fugt fra atmosfæren, som fungerer som elektron-tilbagetrækning (p-type) dopemidler. Da BV -molekylerne donerer elektroner til det nederste grafenlag, de atmosfæriske dopemidler trækker elektronerne tilbage fra det øverste grafenlag, skaber et lodret elektrisk felt.

Da et stærkere elektrisk felt forårsager et større båndgab, forskerne kunne kontrollere båndgabet ved at bruge højere koncentrationer af dopemidler. Alle de anvendte dopemidler absorberes på overfladen af ​​det to -lags grafen uden at skade grafenstrukturen, hvilket hjælper med at opretholde grafens høje elektronmobilitet og tilsvarende høje "on" strøm.

For at demonstrere nytten af ​​det båndgab-åbnede grafen, forskerne fremstillede en transistor med hukommelsesadfærd. Enheden programmeres og slettes ved at anvende en positiv og negativ spænding, henholdsvis. Transistorens høje program/slet strømforhold svarer til en længere opbevaringstid. Imidlertid, forskerne bemærker, at enheden stadig har plads til forbedringer. For eksempel, dens hastighed kan øges. Også, brug af atmosfæriske molekyler som dopemidler er ikke ideel til fremstilling i industriel skala på grund af lav stabilitet, så en mere holdbar p-doping metode vil være nødvendig.

"Det er nødvendigt at udvikle mere stabile og effektive dopemidler til højere enhedspræstationer, "Sagde Si Young Lee." Desuden vores enhed kan realiseres på fleksible og gennemsigtige underlag til fremtidig elektronik. "

© 2015 Phys.org