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Grafeno: Es que el futuro de los semiconductores?Una descripción

general de los materiales, dispositivos y aplicaciones

de  guiñada Obeng y Purushothaman Srinivasan

 este   artículo, que  intento a  resumir el  grafeno componente de  la   ECS simposios serie  sobre  "El grafeno, Ge/ III-V,  nanohilos,  y  los nuevos materiales para   Post-CMOS

Las aplicaciones. "1 Si bien no  exhaustiva y  completa, un  examen de   los   documentos  presentados  en   estos  coloquios  proporciona  una  breve visión  de   la   estado  de  grafeno  investigación  sobre   los   últimos   pocos años.

Historia de grafeno

Como mucho  hacia atrás  ,  en  1947, el grafeno  fue  predijo que  tienen extraordinaria electrónicos propiedades, si que podría ser  isolated.2,3  Por años,   El grafeno (Fig.  1)  se  considera un  académico material que existía sólo  en   teoría  y  presume no  que   existe   como  un libre Pie material, debido  a  su  inestable naturaleza A. Geim, K.

Novoselov, y compañeros de trabajo estaban  entre el  primer  para  con éxito obtener  el   difícil  de  grafeno  films,4  que  fue un  notable  logro.  Por lo tanto,  el   2010   Nobel  Premio   de Física otorgó  a  Geim y Novoselov de  "pionero experimentación en la  de dos dimensiones material grafeno" debe ser  Celebra como reconocimiento de  notable ingenio  en experimental física

La   Internacional  Unión  de  Pura   y  Aplicada Química (IUPAC) define el grafeno como una sola de carbono capa  de la  grafito estructura,  descripción  Su  naturaleza  por   analogía  a   un   hidrocarburos policíclicos aromáticos  hidrocarburos  de  cuasi  infinita tamaño.5  Por lo tanto,  el   términoEl grafeno debería  ser  usado   sólo cuando  las   reacciones, estructuralesLas relaciones,  o  otras  propiedades de  una  sola  capa   se   debatió. Anteriormente, descripciones  tales como  grafito capas,   de carbono  capas o  de carbono hojas Han sido utilizados  para  el  término grafeno.

(Continua  en próxima página)

Fig. 1. El grafeno  es un 2D  edificio  bloque  de basados en carbono  materiales  que puede  ser envuelto  de en  0D  buckyballs, laminados en  1D  los nanotubos, o Apiladas  en  3DGrafito.  figura reproducida con  permiso  de  naturaleza Mater., 6, 184  (2007).

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Obeng y Srinivasan(Continuación  del  anterior  )

La carrera para aislar el grafeno

No ha   sido un  largo y  sostenido esfuerzo para  darse cuenta   de permanente el grafeno las películas  Diferentes formas  para  aislar el grafeno han sido  estudiadas. Uno   de  los   primeros documentado intentos de   aislar  el grafeno  era   a través  una exfoliación de   físicos  o químicos métodos  por  ejemplo, grafito  fue  primero  exfoliado en  1840, cuando  C.  Schafheutl trató  a  purificar "cis" de hierro las fundiciones  de   el tratamiento  ,  con  una  mezcla  de  ácido sulfúrico y  ácido nítrico acids.6  grafito  óxido de  fue   en primer lugar  preparado  por  Brodie   en   1859, por  el tratamiento grafito con una  mezcla de  potásico clorato y fumante  ácido nítrico  acid.7,8   Boehm  et  al.  describen  la   formación de  muy finas  laminillas de   carbono,  compuesto por  de   un  par de carbono  capas   como  medido  por   TEM,  por   tanto  "deflagración de   graphitic  Óxido  de   calefacción  o   de   reducción  de   graphitic óxido en  alcalina suspensión. "9  que  ha  sido afirmado que muestra preparación las técnicas de  que el   TEM  Las muestras dieron como resultado en  la  aglomeración de  la  de lo contrario solo capa  de  grafeno en las   laminillas descrito por  Boehm et  al.  En  ninguno de  estos primeros   trabajos   se   "independientes" grafeno  o  grafeno óxido de archivos  aislados o  identificadas como  tales.

Geim de   grupo (Fig.  2a)  correctamente aislada  atómicamente delgado grafito de con adhesiva cinta  a  piel  de  las capas  de graphitic cristal escamas  y , a continuación, suavemente con frotar  las nuevas  capas  de una oxidada silicio superficie que  fueron  también  capaces  de  determinar el espesor de  Esta   capa  que era  pocos  angstroms de espesor, mediante AFM. Su  "Scotch tape" técnica  es muy  que recuerda de  el uso  de  adhesiva cinta  a  habitualmente cáscara  en capas cristales (por ejemplo, grafito, mica, etc. ),  celebró junto a  van  der  Waals  fuerzas,  para exponer nuevas  superficies articulares. fistuloso.10,11

En  los   últimos   diez años o  así,  el   grupo de  Georgia Tech   conducido  por

Walter de  Heer  utiliza  el  método de  epitaxial crecimiento de  aislar el grafeno (Fig.  2b).  Silicon carbide  fue  elegido como  un sustrato, Y  el   grupo  ha demostrado  que  epitaxial  el grafeno  puede ser  producido por  térmica  descomposición de  SiC  que puede   ser modelada y  gated.12  Por otra parte, se  demostró que  laepitaxial Grafeno  exhiben  2D  electrónicas propiedades  como bienComo  cuántico  confinamiento y cuántica  coherencia efectos.  En el  mismo  tiempo, Felipe de Kim grupo en  Columbia University usa AFM a  mecánicamente separada grafeno capas  de grafito. Se   logró en  aislar un  multi-capa estructura  compuesta de  de 10  layers.13

Recientemente,   de Ruoff    equipo   correctamente fabricado  grafeno con epitaxial crecimiento por  química vapor de deposición  de hidrocarburos  en   metálicos  sustratos  En   este    caso,   el    metal sustrato se  Cu  (Fig. 2c).14  La  ventaja de  esta  técnica  es que se  puede   ser  fácilmente  ampliado a  grandes  zonas  de  sólo  aumentar el   Cu   metálico  sustrato  tamaño  y  crecimiento  sistema. En   general, epitaxial crecimiento de  grafeno ofrece   la   más prometedora ruta hacia  producción,  y  un rápido  progreso en   este   sentido   está actualmente en  curso. Asimismo, de Kong  Grupo en  MIT  ha   también crecido el grafeno por  epitaxia de  metal superficies, tales como  Ni  o  Pt (Fig.  2c).15   En  La   epitaxia de metal técnica,  el   grafeno película  es transferido a adecuados de sustratos de  química extracción de  la  principal metálico sustrato

Propiedades del grafeno

El grafeno  es  una  plana  monocapa  de  sp2  de carbono átomos bien equipado en una de dos dimensiones (2D)  panal lattice, que es un  básico  construcción Bloque  de  basada en el carbono materiales (Fig.  1).  En1947,  Wallace utiliza   banda  teoría de  sólidos   con apretada vinculante aproximación, para  explicar muchas de  las   físicas propiedades  de graphite.3  En  Este documento, el  autor hace una más clarividenteHipótesis: "Desde  el  espacio de  la  celosía aviones de grafitoEs  grande   (3,37 A)   en comparación con el   hexagonal  espacio en   la capa  1,42 A,  una primera  aproximación en  el   tratamiento de  grafito puede    ser   obtenido  por   descuidar   las    interacciones   entre los   aviones, y  suponiendo que  conducción  tiene   lugar   sólo en  las capas." Esta  hipótesis  hace que los  análisis convenientemente  aplicables que  el   material que  tenemos  ahora  sabemos como el grafeno.

El   2D   sistema  de   grafeno  es   no   sólo  interesante  por sí mismo,   sino   que  también  permite   el acceso   a   la   sutil y  rica   física de  cuántica  electrodinámica en  un  de sobremesa  experimento Novoselov et al16 mostraron que electrones transporte En  el grafenoEs  esencialmente  regido  por  Dirac   (relativista) ecuación.  lacarga Los transportistas de  grafeno imitar relativistas las partículas con cero resto  masa  y tienen una  efectiva velocidad de  luz, c * ≈ 106 cm-1s-1. Su  estudio revelaron una  variedad de  inusuales fenómenos que  son característicos de 2D Dirac  los fermiones En  particular, se observó que  el grafeno conductividad  nunca  Cae   por debajo  de  mínimo valor  correspondiente  a   la   cuántica unidad  de   conductancia, incluso cuando  las concentraciones  de  carga transportistas tienden  a  cero. Por otra parte,  el    entero  cuántico  Hall   efecto   en   el grafeno

(I) (ii)

(III)

(I) (ii)

(III)

Fig. 2a. (i) Una de las  primeras  fotografías  de aislados  grafeno  Se  utiliza  la simple  técnica  de compresión capas de  de grafito  superficie  (llamado Como exfoliación) con  adhesiva  cinta  Cortesía  de http://physicsweb.org. (ii) Alta resolución  captura  electrónica micrografía  imagen  de grafeno.  ReproduceCon  permiso  de  Physics World, Nov  2006, p 1.  iii) atómica  resolución de graphitic  capas obtenidas  mediante  una exfoliación  método.  Reproducido con permiso  de  naturaleza Mater., 6, 185 (2007).

Fig. 2b, epitaxial  el grafeno  sobre  la  cara C de 4H-SiC.  (i) TEM  imagen  de latransversal Sección  de de varias capas  epitaxial  grafeno  ii) atómica  resolución  STM  imagen mostrando  una hexagonal  celosía  iii) AFM imagen  El  blanco  las líneas  son "ninguna irregularidad" en el  grafeno hojas.  Cortesía  de ECS Transacciones, 19 (5), 95  (2009).

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  anómala  en   la  que  se produce  en   medio de entero  de   factores, y el   ciclotrón masa   mc    de  masa despreciable los transportistas  en  el grafeno  es descrito por  E = mc  c *  .

Uno   de  los   más fascinantes aspectos de  la   física habilitada por  el  aislamiento de grafeno es la  experimental demostración de  la  Llamado Klein  paradoja sin trabas de penetración  de relativistas partículas a través  alta y amplia  potenciales  las barreras El   fenómeno  se  discute  en   muchos  contextos  en  Partículas nucleares, y astrofísica, pero  directas las pruebas  de  la  Klein  paradoja con elementales partículas había hasta ahora  resultado imposible. Katsnelson  et  al.  Demostró que  el   efecto   puede   ser   probado  en   una teoría simple de la materia condensada  experimento utilizando electrostática barreras en  una sola y  bi-capa graphene.17   Debidode  la  Quiral naturaleza de su cuasi-partículas, quantum tunnelingen  Estos materiales se convierte altamente anisotrï¿ ½ico, cualitativamente diferentes  de  los   caso   de  lo normal,  no relativista  los electrones. lásers  Dirac  fermiones en  el grafeno que  un cierre  Realización de de Klein  Gedanken experiment, mientras que masiva quirales los fermiones en  bicapa grafeno ofrecen  un  interesante complementarios sistema que describen la  básicos  física involucrada.

Por otra parte   estos  ejemplos de  nueva   física, el grafeno ha demostrado algunos sorprendentes electrónica propiedades, como se muestra a continuación.

carga  Los transportistas de  el grafeno. -Los electrones  multiplicación a través del   panal  celosía  completamente  perder   su  eficaz , que los resultados en  cuasi-partículas denominadas como  "Dirac de fermiones" que son  descritos por  un Dirac-como ecuación  sino  de  Schrödinger ecuación  como  se muestra  en   Fig.  3a  y  3b.   Estos   pueden   ser  Visto   como electrones que tienen cero  masa  m0  o  como  los neutrinos que adquiriódel   electrón Carga e.  bicapa  grafeno muestra otro  tipo  deCuasi-partículas que han no  conocido las analogías. Que  son  masivo Dirac  fermiones se describe por  una  combinación de  ambas Dirac  y Schrödinger ecuaciones.

Banda  estructura  de  grafeno. -El grafeno  es  un  semi-metal  y es  un  cero-gap semiconductor  (Fig.  4a).  En  otra parte,  bicapas de grafeno electrónica banda  estructura  Los cambios significativamente a través del  eléctrico campo  ,  y el  semiconductor gap  ΔE puede  ser ajustado  continuamente desde cero   a  ≈0.3  eV  si  SiO2    se utiliza   como  un material dieléctrico. Un reciente estudio de  IBM proporciona pruebas donde elEnergy band  gap  se ha  ajustado a  la   orden de  0,13   eV  con la estructura que se muestra en  Fig. 4b.

térmica     Conductividad     y    movilidad. -El grafeno   es    un    2D material  que  no  es   poca  o   ninguna   phonon   scattering. En general,  los   de baja energía fonones  en   el   sistema  están  involucradas

(I)     (ii)

(III)

Fig. 2c. primeras  etapas de grafeno crecimiento  de Cu.  i) SEM de grafeno en Cu. ii) Raman  mapas  de grafeno  sobre SiO2/Si.  Las piezas (i) Y  (ii) se reproduce por cortesía de ECS Transacciones, 19 (5), 41  (2009). iii) El grafeno  películas  crecido en NiY  trasladados  en  un Si oblea.  reproduce con  permiso  de Nano Lett.,9, 30 (2009).

(A)  (b)

Fig. 3. a) de Schrödinger los fermiones;  el  verde punto  es el  electrón. b) Dirac los fermiones  de  grafeno.  Reproducido con  permiso  de Ciencia ,  324,1531  (2009).

En  calor  transferencia; por lo tanto, que  ofrece  mayor térmica conductividad grafeno  exposiciones  ambipolar   eléctrica  campo   efecto    (Fig.   5a) como que  carga Los transportistas puede   ser  ajustado  continuamente entre los electrones y  los agujeros con  las concentraciones  de  alta como  1013  cm-2 (Fig.  5b),   y  Sus movilidades μ  en   exceso   de  15.000 cm2   V-1 .s-1    ,  en ambiente  las condiciones  La   observó movilidades depende  débilmente de  temperatura T,  lo que significa que  μ  de  300K es  todavía  limitada por  impurezas dispersión, y  por lo tanto puede   ser mejorado significativamente, tal vez, incluso hasta  a  ≈ 100.000 cm2  V-1 .s-1.  En  el grafeno, μ  sigue siendo elevado  incluso en  alta n  ( >1012 cm-2, en    tanto   eléctricamente y  químicamente  dopados con  dispositivos,  que se traduce en  balístico transporte  en   el   sub-micra  escala (en la actualidad de  a  ≈0,3  μm  a  300  K).

Una  más  indicación  de  la   del

sistema extrema  electrónica calidad es el  cuántico Hall  efecto  (N)  que pueden  ser  observados (Fig. 5c),  En  el grafeno incluso en  habitación temperatura, ampliar el anterior temperatura rango de  la  ORIENTEN  por  un factor de  10.

Las aplicaciones del grafeno

El  inusual propiedades de grafeno descritas en  la  anterior sección junto con su:  (i)  alta  óptica transparencia,  (ii) químicos inercia, y  (iii)  bajo  costo  Que es  viable para  una gran variedad de  industriales aplicaciones UNA sección transversal de las aplicaciones  que   aprovechan  específicas    el grafeno   propiedades,   se detallan a continuación.

•   La  alta movilidad incluso en  mayor E inducidas por un campo de concentración  , los  portadores van  balísticos dando lugar  a  un balísticos FET dispositivo a  300  K

•   Debido  a  su  e-h  simetría y lineal dispersión que  es adecuado para  RF y alta frecuencia aplicaciones , THz detectores y láser

•   Que  también  tiene  sus  aplicaciones en  químicos sensores yMEMS de aplicaciones

•    Otra ruta de  grafeno de electrónica es a considerar el grafeno como un conductor hoja en lugar de una de material que puede  ser  utilizado  para hacer un único electrón-transistor (SET)

•    Superconductores FETs y temperatura ambiente la espintrónica

•    transparentes Electrodos

Uno   de  los   comercialmente viable  los dispositivos basados en  el grafeno es  el   RF-FET, como  sus  propiedades están  bien  adaptados para  baja  potencia / alta  velocidad aplicaciones.  IBM  ha   demostrado  un  éxito fabricación  de   una    RF-FET  de    2   pulgadas  las obleas    con  SiC   como soporte.18   se   obtiene  un  superior eléctrico  rendimiento cuando  el   dispositivo  se   auto-rendimiento mejor  Hall   movilidad y

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La  Electroquímica Sociedad   interfaz • Primavera 2011  49

Obeng y Srinivasan(Continuación  del  anterior  )

(A)  (a)

(B)

(B)

(I) (II)

(C)

(III)

Fig. 4. a) banda  estructura  de la  grafeno.  El  valencia  y  conducción las bandas  tocar  en  discretos puntos  en  la  Brillouin  zona  Reproducido con permiso  De Física hoy, 59 (1), 21  (2006). b) Esquema  ilustración(I) de banda prohibida  apertura  en  bicapa  el grafeno por un  eléctrico campo.  (ii) Esquema de el  dispositivo utilizado  para abrir  la  brecha.  iii) Transferencia  características  De el grafeno FET Reproducido con  permiso  de IEDM), REALIZADA  Tech.  Digest, 23.1.1 ,552  (2010).

Fig. 5. a) Ambipolar  E-campo efecto  en  una capa de  grafeno.  El  puerta voltaje  y  temperatura  dependencia  de resistividad  de la alta  movilidad muestra  (μ ≈ 20.000 Cm2   V-1s- 1).  b) ρ versus Vg en  tres representante temperaturas,  T  = 0,03 K,  77K,  y  300  K con  similares  actuaciones debido a cero phonon  scattering. Las piezas (a) y  (b) se reproduce con  permiso de Eur.  Méd.  J. Especial  Temas, EDP Sciences, Springer-Verlag , 148,15  (2007). c) El grafeno  quirales cuántico Hall  efectos  Reproducido con permiso  de Física , 60 (8), 35  (2007).

50  La  Electroquímica Sociedad  Interfaz • Primavera 2011

Fig. 10 actual ganancia de grafeno dispositivo(c)

GL

actu

al G

anan

cia 

|h2

1 |1

00

superior ID   y mecanismo. En adición, se obtiene ft  max  de  170  GHz en  90  nm  gate longitudes  (Fig.  6a).   Samsung  También   obtuvo  buenas características para  un RF dispositivo de 6  pulgadas obleas19 con actual ganancia cerca  de 200  GHz  a 0,24  um  (Fig. 6b).

Si bien un  alto-k material fue  utilizado  como  de  puerta dieléctrico en tanto los casos,   h-BN  me parece   de  ser  una  mejor  elección  Desde su material las propiedades20  están  cerca  de grafeno (Fig.  6c).  La estructura  es un aislante  isomorph  de  grafito, que mejora la  movilidad de  grafeno  Dispositivo Sin embargo, un  gran problema  que limita el rendimiento  de   estos  dispositivos  es  pobre  contacto  resistencia;  lacontacto Resistencia valores son  actualmente en el orden de kilo-ohmios.

Otro potencial corto plazo de aplicación de  grafeno es la transparente  táctil  pantalla demostrado  por   Samsung.21    utilizando un  rodillo, CVD-crecido el grafeno  ha sido Trasladado  por  pulsarde  Un  adhesivo polímero  apoyo  y  el  cobre  está  a continuación, grabados ,  dejando el grafeno película  adjunta a la polimérica. El grafeno  puede  , a continuación,  se  presiona  contra  un  final  de sustrato ,  como  el polietileno  tereftalato  (PET) -de nuevo con  los rodillos y   el   polímero  adhesivo  publicado  por   calefacción.  posteriores capas  de  grafeno puede , a continuación,  se  añade en una  similar forma,  creando una gran  grafeno película  El grafeno  fue  dopado por  el tratamiento con ácido nítrico  ácido,   para  permitirse un  gran   transparente  electrodo que  fue demostrado para trabajar  en una pantalla táctil Dispositivo aplicación  (Fig. 7). Este grafeno  electrodo puede  potencialmente  sustituir el  tradicional transparentes  los electrodos utilizados   en estas aplicaciones, que se actualmente hace de transparente  realización óxidos tales como ITO. Sin embargo, el grafeno electrodo tiene una mejor transparencia y es más difícil. Óxido materiales tales como ITO son  por lo general frágiles  y débiles que conduce a una  finita vida  ; por el otro lado, el grafeno de pantallas que tienen una larga vida  span.

Sobre los autores

Yaw   Obeng  tiene   sobre   20  años   de  probada  técnica  liderazgo de   empresarial, empresariales y  académico entornos Actualmente,  el   Sirve    como   un   Senior  científico  de   la    Oficina de microelectrónica Programas de  la  Nacional Instituto de Estándares y  Tecnología (NIST)  en  Gaithersburg, Maryland, que  había  anteriormente  trabajado  con  AT&T y Lucent Technologies, Agere   Systems  Bell  Laboratories y  Texas  Instruments,   él ha   también  co-fundó dos   start-up empresas (psiloQuest, Inc. y Nkanea Technologies, Inc. ),  dedicada a  la  elaboración de  nuevos materiales de  semiconductores y optoelectrónica fabricación. Él es un  inventor de  en  50  LOS ESTADOS UNIDOS y internacionales patentes, y ha  publicado más  100 documentos de  distintos técnicas Las publicaciones   El Dr.    Obeng  es   adjunto   profesor en la Clemson University y  la   Universidad  de  Central  Florida, Orlando  donde él   ha   aconsejado  varios graduados  estudiantes  Él es  un  miembro  de  la   American institute  de  los químicos, que  puede   ser alcanzado en  yaw.obeng@nist.gov .

Purushothaman  srinivasan es actualmente un miembro del  técnico personal  de   Texas   Instruments,  Dallas, que  ha   sido implicado en investigación y desarrollo de  avanzado CMOS  dispositivos de  baja potencia aplicaciones con énfasis en  1/f  ruido. Su  actual actividades  incluyen  organizar  simposios  de  grafeno  En   ECS. Él  es  también  un   ejecutivo comité  miembro y  miembros Presidente de dieléctrico Ciencia y Tecnología División en  ECS. Él Es  también  una  SRC Técnica  Consultiva Junta   miembros y  enlace miembro de diversos proyectos. Antes  de  unirse a TI, él  obtuvo su doctorado  grado de IMEC,  Lovaina y NJIT) en 2007. Él pasó su

(Continua  en próxima página)

(A)  (b)V = 2.2V, V = 0V

D  g

V = 2.2V, V = 2,5 VD  g

10

  = 90 nm170 GHz

11  10  100

Frecuencia (GHz)

Fig. 6. Actual  ganar  pies,  max  características  de:  (a) IBM de  corte de  frecuencia  de 170  GHz  de puerta longitud  de 90  nm17  reproduce por Permiso  deIEDM), REALIZADA  Tecnología  Digest, 9.6.1 -9.6.3 , 226  (2010);  (b) Samsung  con  corte de  frecuencia  de 200  GHz  de puerta longitud  de 0,24  μm18 reproduce de permisode IEDM), REALIZADA  Tecnología  Digest, 23.5.1 y 23.5.4 , 568  (2010);  y  (c) intrínseca  I-V  características  de 0,44  um  dispositivo fabricado  con  B-N como de puerta dieléctrico sólidos líneas indican  modelo  montaje  curves.19   reproduce por permiso  de IEDM), realizada  Tech.  Digest, 23.2.1 y 23.2.4 , 556  (2010).

La  Electroquímica Sociedad   interfaz • Primavera 2011  51

Obeng y Srinivasan(Continuación  del  anterior  )

(A)

(B)

Fig. 7. a) Industrial  producción  de grafeno hojas  b) de Samsung  transparente  táctil  pantalla tecnología  con  grafeno.  Reproducido con  permiso  de NaturalezaLa Nanotecnología, 5, 574  (2010).

Verano de  2006   ,  un  investigador de  IBM  T.  J. Watson Research Center, Yorktown Heights, NUEVA YORK. que ganó el  Hashimoto Premio  de su  mejor  doctoral tesis en  2007. Él  es  un  senior miembro de  IEEE, ha   editado 2 libros, autor  y  coautor de más de  50   internacionales  publicaciones  tiene   3  patentes  y  también sirve   como   un   revisor  de   a   lo menos   6   Revistas, entre ellas la Revista  de  la   electroquímica   Sociedad  Él   puede   ser  alcanzado en psrinivasan@ ti. com.

Referencias

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