H ΛΕΚΤΡΟΝΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΠΟ ΓΡΑΦΕΝΙΟ

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

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

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

5. 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.

6. Κατασκευή Γραφενίου AFM Οπτικό μικροσκόπιο SEM

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. Κβαντικό φαινόμενο Hall Φαινόμενο Hall σε μονό και διπλό επίπεδο γραφενίου

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

12. 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.

13. 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.

14. MOSFET

15. JFET

16. 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.

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

18. 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

19. 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.

20. FET από γραφένιο Εγχάραξη γραφενίου

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

22. 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.

23. 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.)

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

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

26. 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.

27. 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)

28. 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)

29. 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.