Химия - Графеновые наноленты - Формирование запрещённой зоны

При возникновении дефектов на границе наноленты переходят из металлического состояния в полупроводниковое. Так как не представляется возможным добиться атомарной точности при литографии, получить металлическую наноленту до сих пор не удалось.

Эксперимент

С помощью электронной литографии из графена можно сделать узкие ленты вплоть до 20 нм. Из-за квантово-размерного эффекта ширина запрещённой зоны при ширине ленты 20 нм составляет 28 мэВ. При уменьшении ширины наноленты можно добиться большей ширины запрещённой зоны, поскольку она обратно пропорциональна ширине. Здесь электронной литографии не хватает и был предложен химический метод получения графеновых нанолент из графита. Используя этот метод можно создать наноленты с гладкими границами и шириной менее 10 нм. Эти транзисторы, где использовалась высоколегированная подложка кремния в качестве обратного затвора, показали отношение тока в открытом и закрытом состоянии около 10 при комнатной температуре. Из-за барьера Шотки между металлическим контактом и графеном сопротивление контактов составило около 60 кОм для нанолент шириной около 2,5 нм, а оценённая подвижность носителей около 100 см²Вс.

Рис. 3. Кондактанс полупроводниковой наноленты в зависимости от химического потенциала при различных температурах. Параметры используемые для расчёта: W = 30 нм, α = 0,5.

Для наноленты длиной 850 нм и шириной 30 нм был измерен кондактанс как функция затворного напряжения, при приложенном постоянном смещении в 10 мВ. Кондактанс на комнатной температуре имел гладкую V-образную характеристику, но при понижении температуры до 90 К проявились несколько плато квантования с шагом 1.7 μСм. Это квантование кондактанса связано с образованием подзон размерного квантования в узких лентах шириной W, когда волновой вектор частиц квантован в поперечном направлении , где m — целое число. Энергия квазичастиц в одномерных подзонах описываются выражением

где — постоянная Планка, v_F — Ферми скорость, k _{| |} — волновой вектор связанный с движением вдоль наноленты, α параметр который зависит от кристаллографической ориентации. Ширина запрещённой зоны равна

E_g = 2ΔE | α | ,

где — расстояние между уровнями. Кондактанс наноленты описывается следующим выражением

где T_i — коэффициент прохождения носителей для каждой подзоны, f₀ = 1 / / kT) — функция распределения Ферми — Дирака, μ — химический потенциал. Коэффициенты T_i меняются ступенчатым образом, то есть когда энергия E превышает уровень размерного квантования коэффициент становится ненулевым. Благодаря температурному уширению квантование кондактанса как функция энергии Ферми, а следовательно и концентрации носителей и затворного напряжения не будет заметно при комнатной температуре при ширине наноленты 30 нм, но при более низких температурах хорошо заметно.