(a) Una banda proibita è stata aperta nel grafene a doppio strato mediante drogaggio chimico con un drogante donatore di elettroni (BV) sul fondo e un drogante che accetta gli elettroni (molecole atmosferiche) sulla parte superiore, che crea una corrente elettrica verticale. (b) Un transistor ad effetto di campo fabbricato dal grafene a doppio strato drogato su due lati mostrato in (a). (c) Immagine ottica del transistor fabbricato con un canale di grafene a doppio strato, fonte, e drenare sullo strato BV. Credito:Lee, et al. ©2015 American Chemical Society
(Phys.org)—Gli elettroni possono muoversi attraverso il grafene quasi senza resistenza, una proprietà che offre al grafene un grande potenziale per sostituire il silicio nella prossima generazione, dispositivi elettronici ad alta efficienza. Ma attualmente è molto difficile controllare gli elettroni che si muovono attraverso il grafene perché il grafene non ha band gap, il che significa che gli elettroni non hanno bisogno di attraversare alcuna barriera energetica per condurre elettricità. Di conseguenza, gli elettroni sono sempre in conduzione, tutto il tempo, il che significa che questa forma di grafene non può essere utilizzata per costruire transistor perché non ha uno stato "spento". Per controllare il movimento degli elettroni nel grafene e abilitare gli stati "off" nei futuri transistor al grafene, il grafene ha bisogno di un band gap diverso da zero, una barriera energetica che può impedire agli elettroni di condurre elettricità quando lo si desidera, rendendo il grafene un semiconduttore invece di un conduttore completo.
In un nuovo studio, gli scienziati hanno aperto una banda proibita nel grafene drogando attentamente entrambi i lati del grafene a doppio strato in modo da evitare di creare disordine nella struttura del grafene. L'apertura delicata di una banda proibita nel grafene in questo modo ha permesso ai ricercatori di fabbricare un transistor di memoria a base di grafene con il più alto rapporto iniziale programma/corrente di cancellazione riportato fino ad oggi per un transistor al grafene (34,5 rispetto a 4), insieme al più alto rapporto on/off per un dispositivo del genere (76,1 contro 26), pur mantenendo la mobilità degli elettroni naturalmente elevata del grafene (3100 cm 2 /V·s).
I ricercatori, guidato dal Professor Young Hee Lee alla Sungkyunkwan University e all'Institute for Basic Science di Suwon, Corea del Sud, hanno pubblicato il loro articolo sul nuovo metodo per aprire un band gap nel grafene in un recente numero di ACS Nano .
"Abbiamo dimostrato con successo un transistor al grafene con un elevato rapporto on/off e mobilità con metodi chimici e ne abbiamo mostrato la fattibilità come applicazione di memoria con un rapporto di programma/cancellazione significativamente migliorato, " primo autore Si Young Lee, presso l'Institute for Basic Science e l'Università di Harvard, detto Phys.org .
Esempi della struttura della banda (con indicate le energie del gap di banda calcolate) per diversi campioni di grafene a doppio strato:(a) drogato su un lato solo con BV, (b) drogato su un lato solo con ossigeno, (c) drogato su entrambi i lati con BV e ossigeno, e (d) drogato su entrambi i lati con BV e il doppio di ossigeno rispetto a (c). Sopra ogni grafico c'è un'illustrazione della distribuzione di carica indotta dal drogaggio. Credito:Lee, et al. ©2015 American Chemical Society
Il loro metodo si basa sull'applicazione di un campo elettrico verticale attraverso il grafene a doppio strato, che ha dimostrato di rompere la simmetria tra i due strati di grafene. Questa modifica crea siti atomici con diversi potenziali elettrici, che produce un gap di banda. Anche studi precedenti hanno utilizzato questa strategia, in cui il campo elettrico è generato dal "dual-side doping" dei lati opposti del doppio strato con sostanze chimiche diverse. Però, i risultati precedenti sono stati limitati a causa di tipi e livelli di droganti inefficaci, che hanno generato campi elettrici relativamente piccoli e hanno anche danneggiato la struttura altamente ordinata del grafene.
Nel nuovo studio, i ricercatori dimostrano che una chiave per migliorare queste aree è la scelta del benzil viologeno (BV) come drogante donatore di elettroni (tipo n) nella parte inferiore del grafene a doppio strato. Il lato superiore viene quindi drogato semplicemente con ossigeno e umidità dall'atmosfera, che agiscono come droganti attrattori di elettroni (tipo p). Poiché le molecole BV donano elettroni allo strato inferiore di grafene, i droganti atmosferici prelevano gli elettroni dallo strato superiore di grafene, generando un campo elettrico verticale.
Poiché un campo elettrico più forte induce un gap di banda maggiore, i ricercatori potrebbero controllare il band gap utilizzando concentrazioni più elevate di droganti. Tutti i droganti utilizzati qui vengono assorbiti sulla superficie del grafene a doppio strato senza danneggiare la struttura del grafene, che aiuta a mantenere l'elevata mobilità degli elettroni del grafene e la corrispondente alta corrente "on".
Per dimostrare l'utilità del grafene a banda proibita aperta, i ricercatori hanno fabbricato un transistor con comportamento di memoria. Il dispositivo viene programmato e cancellato applicando una tensione positiva e negativa, rispettivamente. L'alto rapporto di programma/cancellazione del transistor corrisponde a un tempo di ritenzione più lungo. Però, i ricercatori notano che il dispositivo ha ancora margini di miglioramento. Per esempio, la sua velocità può essere aumentata. Anche, l'utilizzo di molecole atmosferiche come droganti non è l'ideale per la produzione su scala industriale a causa della bassa stabilità, quindi sarà necessario un metodo di p-doping più duraturo.
"È necessario sviluppare droganti più stabili ed efficaci per prestazioni più elevate del dispositivo, "Si Young Lee ha detto. "Inoltre, il nostro dispositivo può essere realizzato su substrati flessibili e trasparenti per l'elettronica futura."
© 2015 Phys.org
