Статьи

НОУ ІНТУЇТ | лекція | Наноелектронних елементна база інформатики на основі графену

  1. Особливості реальних плівок графена Реальні плівки графена відрізняються від ідеальних. По-перше,...
  2. Польові транзистори на основі суцільних плівок графена

Особливості реальних плівок графена

Реальні плівки графена відрізняються від ідеальних. По-перше, вони, як правило, розміщені на підкладці. Тому умови, в яких знаходиться плазма Реальні плівки графена відрізняються від ідеальних -електронів на зовнішній і на внутрішній стороні плівки, різняться. Особливо це істотно, якщо поблизу поверхні підкладки, на якій лежить плівка графена, є заряджені глибокі пастки електронів.

По-друге, реальні плівки графена завжди обмежені по площі ( Мал. 7.4 ). До обірваним хімічним зв'язкам на краях плівки ( Мал. 7.5 ) Найчастіше приєднуються атоми водню, кисню або гідроксильні групи.


Мал.7.5.

Схематичне зображення реальної невеликої плівки графена з атомами водню, що приєдналися до країв

По-третє, бувають дефекти і всередині плівки графена - 5-членні або 7-членні кільця (замість 6-членних), заміщення атома вуглецю іншим атомом, приєднання до одного з атомів вуглецю якоїсь хімічної радикала (наприклад, По-третє, бувають дефекти і всередині плівки графена - 5-членні або 7-членні кільця (замість 6-членних), заміщення атома вуглецю іншим атомом, приєднання до одного з атомів вуглецю якоїсь хімічної радикала (наприклад,   ,   ) і т , ) і т.п. Зазначені фактори можуть помітно змінити властивості реальних плівок, зокрема їх електричні властивості. Приєднані до окремих атомів вуглецю групи і діють як донори в напівпровідниках, а групи і - як акцептори.

Зміни властивостей при хімічної модифікації графена

Особливо істотні зміни відбуваються при хімічної модифікації графена. Наприклад, при обробці плівки графена в холодній плазмі водню атоми вуглецю переходять зі стану Особливо істотні зміни відбуваються при хімічної модифікації графена гібридизації в стан гібридизації, і до них приєднуються атоми водню. Структура плівки значно змінюється, як показано на Мал. 7.6 .


Мал.7.6.

Зліва - структурна модель графана (білі кульки - атоми водню). Порівняння структури плівки графена (в центрі) зі структурою плівки графана (праворуч). В обох випадках показано тільки одне 6-членні кільце з атомів вуглецю

Атоми вуглецю вже не розташовуються в одній площині. Зникає "покривало" з Атоми вуглецю вже не розташовуються в одній площині -електронів, так як відповідні електрони утворюють ковалентні зв'язки з атомами водню. Плівка стає товщі, а головне, - радикально змінюється енергетичний спектр електронів. Утворена в результаті гідрування плівка, яку називають "графаном", є вже діелектриком.

Під час обробки водневої плазмою частина плівки графена можна захистити резистом, і тоді гідрування графена відбувається відповідно до заданої топологією. Тобто Не захищені частину плівки перетворюється в діелектрик графан, а захищена залишається графеном мають високу електропровідність.

Цікаво, що при відпалі плівок графана в атмосфері аргону при Цікаво, що при відпалі плівок графана в атмосфері аргону при   атоми водню від'єднуються, атоми вуглецю повертаються в стан   гібридизації, і таким чином можна знову отримати графен атоми водню від'єднуються, атоми вуглецю повертаються в стан гібридизації, і таким чином можна знову отримати графен.

Більш стійким до нагрівання і більш хімічно стійким є фторграфен - плівка графена після приєднання атомів фтору. Фторграфен є полуізолятором з шириною забороненої зони близько 3 еВ і питомим опором порядку 1012 Ом на квадрат. Як і гідрування, фторування графена може проводитися крізь маску з резисту відповідно до заданої топологією.

Таким чином, з плівки графена, нанесеної на ізолюючу підкладку (наприклад, з окисленого кремнію) за допомогою нанолітографії, фторування (або гідрування) можна реалізувати високоякісний шар межсоединений великий інтегральної схеми. Навіть при 30-нанометровій ширині доріжки з графена мають досить високу електропровідність і можуть проводити електричний струм набагато більше, ніж таких же розмірів доріжки з плівок міді або золота.

Графен вивчають і застосовують не тільки у вигляді одношарових плівок, а й вигляді плівок, що складаються з двох, трьох або більше шарів. Строго кажучи, це вже не графен. Для позначення таких плівок точніше вживати термін "нанографіт".

Польові транзистори на основі суцільних плівок графена

Перші польові транзистори формували на основі суцільної плівки графена ( Мал. 7.7 ). Для цього на пластину кремнію, вкриту товстим шаром оксиду ( Перші польові транзистори формували на основі суцільної плівки графена (   Мал ), Наносять плівку графена. Поверх неї формують електроди витоку і стоку і наносять тонкий шар (3-5 нм) подзатворного діелектрика, зазвичай оксиду ітрію ( ) Або гафнію ( ). Над ним формують електрод затвора.


Мал.7.7.

Зліва - структура польового транзистора на основі графену. Праворуч - варіант топології електродів для збільшення струму стоку

Для збільшення електричного струму, що протікає крізь транзистор, збільшують ширину його каналу або використовують варіант топології, показаний на Мал. 7.7 праворуч.

Типова залежність струму стоку Типова залежність струму стоку   крізь транзистор від напруги   між затвором і витоком показана на   Мал крізь транзистор від напруги між затвором і витоком показана на Мал. 7.8 .

Фізичну причину такої залежності пояснюють енергетичні діаграми, показані на Мал. 7.9 . Уздовж вертикалі тут відкладена енергія обобществленних електронів металу і графена, уздовж горизонталі - координата. Підписами "Исток" і "Сток" позначені ділянки, які відповідають електродів з металу, а підписом "Гр" - каналу провідності в графені. через Фізичну причину такої залежності пояснюють енергетичні діаграми, показані на   Мал позначений рівень енергії Фермі. В області каналу провідності (Гр) умовно показані енергетичні зони: ВЗ - валентна зона і ЗП - зона провідності, які стикаються.

Коли до затвору докладено напруга Коли до затвору докладено напруга   (Діаграма ліворуч), рівень енергії Фермі   в графені проходить точно через точку дотику зон ВЗ і ЗП (Діаграма ліворуч), рівень енергії Фермі в графені проходить точно через точку дотику зон ВЗ і ЗП. В цьому випадку валентна зона ВЗ практично повністю заповнена, а зона провідності ЗП графена практично порожня. Концентрація носіїв заряду в каналі транзистора найменша. Вона визначається лише рівнем теплової генерації носіїв заряду. Тому крізь транзистор тече найменший електричний струм.

Коли напруга на затворі знижується (енергетична діаграма в центрі), енергетичні зони в графені через підвищення електростатичного потенційної енергії піднімаються. Рівень енергії Фермі Коли напруга на затворі знижується (енергетична діаграма в центрі), енергетичні зони в графені через підвищення електростатичного потенційної енергії піднімаються проходить через валентну зону ВЗ нижче точки дотику зон. Валентна зона заповнюється не повністю, в каналі провідності зростає концентрація дірок, і електричний струм крізь транзистор значно зростає.

Коли напруга на затворі підвищується в порівнянні з Коли напруга на затворі підвищується в порівнянні з   (Енергетична діаграма справа), енергетичні зони в графені через зменшення електростатичного потенційної енергії опускаються (Енергетична діаграма справа), енергетичні зони в графені через зменшення електростатичного потенційної енергії опускаються. Рівень енергії Фермі проходить через зону провідності ЗП вище точки дотику зон. Зона провідності частково заповнюється, в каналі транзистора зростає концентрація електронів провідності, і електричний струм крізь транзистор теж значно зростає.

Через відсутність в графені забороненої енергетичної щілини між валентною зоною і зоною провідності описаний польовий транзистор при кімнатних температурах не вдається повністю закривати. Тому логічні схеми на таких транзисторах споживають помітний електричний струм і розсіюють надлишок енергії, що погіршує їх експлуатаційні характеристики. А ось підсилювачі радіосигналів надвисоких частот на таких транзисторах успішно будують. Є повідомлення про реалізацію польових транзисторів на основі графену з граничною частотою 230 ГГц при довжині каналу близько 200 нм і про створення на основі таких транзисторів ультрашірокополосних (близько 100 ГГц) радіопідсилювачів з дуже низьким рівнем власного шуму і відносно малим споживанням електроенергії. А це є основою для побудови високоефективних систем передачі / прийому інформації нового покоління.

Значення напруги UЗАКР на затворі, при якому крізь транзистор тече мінімальний струм, залежить від роботи виходу електронів з електрода затвора і може варіюватися в залежності від вибору металу, з якого формують затвор. А конкретні значення струму залежать від довжини і ширини каналу провідності і від напруги між витоком і стоком і теж можуть варіюватися в широких межах.

Новости

Белое домашнее вино
Вопросом, как правильно крутить руль авто, должен быть озабочен каждый начинающий автомобилист. Именно первые уроки, которые получает автомобилист в процессе обучения являются самыми важными, определяющими

Электромонтажные работы
Электрическая сеть является одной из самых главных составляющих любого жилища. Без нее сегодня трудно представить нашу жизнь, будь то в загородном доме, офисе или квартире. С другой стороны, все мы настолько

Объемные расходомеры
Собрав букет нужно его хорошенько оформить. Как красиво упаковать цветы для дорого вам человека покажут специалисты. Завернуть букет в гофрированную бумагу или другой подручный материал сразу преобразит