Oddziaływanie grafenu z metalami

HTML
DOWNLOAD

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Oddziaływanie grafenu z metalami"

Teresa Morawska
6 lat temu
Przeglądów:

1 Oddziaływanie grafenu z metalami Oddziaływanie grafenu z metalami prof. dr hab. Zbigniew Klusek

2 Grafen dla czego intryguje? v E U V E d cm d cm v t s en Transport dyfuzyjny Transport kwantowy balistyczny

3 Grafen dlaczego intryguje? Tranzystor typu MOSFET Nowa idea żródło bramka dren kanał tranzystora wykonany z grafenu Pasmo przewodnictwa Pasmo przewodnictwa G kanał D 1 0 S Pasmo walencyjne Pasmo walencyjne

4 Tranzystory pracujące z częstością giga herców

5 Elektronika analogowa Tranzystory bipolarne (n-p-n) or (p-n-p) Tranzystory unipolarne FET

6 Grafenowe układy scalone Elektronika ambipolarna D G D G S S FET GFET

Częstotliwość odcięcia Częstotliwość odcięcia to częstotliwość dla której wzmocnienie dąży do jedności f T g m 1 C C g R R C g R R 2 1 GS GD ds S D GD m S D f T g m C GS C GD g ds R S R D

7 Częstotliwość odcięcia Częstotliwość odcięcia to częstotliwość dla której wzmocnienie dąży do jedności f T g m 1 C C g R R C g R R 2 1 GS GD ds S D GD m S D f T g m C GS C GD g ds R S R D częstotliwość odcięcia wewnętrzna transkonduktancja pojemność bramka-źródło pojemność bramka-dren przewodność drenu opór źródła opór drenu Wszystkie pojemności i oporności powinny być jak najmniejsze

8 Częstotliwość odcięcia f T gm C C g R R C g R R GS GD ds S D GD m S D Częstotliwość odcięcia może być zmaksymalizowana Wewnętrzna transkonduktancja jak największa Konduktancja drenu jak najmniejsza Pojemności jak najmniejsze Wszystkie rezystancje jak najmniejsze

9 Przewodnictwo złącza grafen-metal We wszystkich aplikacjach wymagany jest kontakt elektryczny Au

10 Przewodnictwo złącza grafen-metal Rolf Landauer ( ) Formuła Landauera G 2 N 2e h n1 T n G 2 N 2e h n1 MT n

11 Przewodnictwo złącza grafen-metal Formuła Landauera G 2 4e h TM T MG współczynnik transmisji metal - grafen T K współczynnik transmisji w kanale M M M ch liczba modów przewodnictwa liczba modów przewodnictwa graf T MG metal TK metal M=min{M M,M ch } grafen M M M ch SiO 2 SiO 2 Si Si

DFT teoria funkcjonału gęstości Rozpoczęliśmy badania od symulacji DFT J. Slawinska, P. Dabrowski, I. Zasada Phys. Rev. B 83 (2011) J. Slawinska, I. Wlasy, P.

12 DFT teoria funkcjonału gęstości Rozpoczęliśmy badania od symulacji DFT J. Slawinska, P. Dabrowski, I. Zasada Phys. Rev. B 83 (2011) J. Slawinska, I. Wlasy, P. Dabrowski,, I. Zasada Phys. Rev. B 85 (2012) I. Wlasy, P. Dabrowski, M. Rogala, P.J. Kowalczyk, I. Pastrnak, W. Strupinski, J.M. Baranowski and Appl. Phys. Lett. 102, (2013)

13 DFT grafen na Au(111) Geometria adsorpcji grafen/au(111) widok z góry Geometria adsorpcji grafen/au(111) widok z boku

14 DFT grafen na Au(111) poli Geometria adsorpcji Grafen/Au(111) widok z góry. Wprowadzono zaburzenia podłużne stałych sieci. Geometria adsorpcji Grafen/Au(111) widok z boku. Wprowadzono zaburzenia poprzeczne stałych sieci.

15 DFT: Oddziaływanie grafen-metal czysty grafen fizysorpcja Cu(111) J. Sławińska, Rozprawa Doktorska Łódź 2012

16 DFT: Oddziaływanie grafen-metal E F E D E D E F Domieszkowanie typu p Domieszkowanie typu n

17 DFT: Oddziaływanie grafen-metal czysty grafen fizysorpcja Cu(111) chemisorpcja Ni(111) J. Sławińska, Rozprawa Doktorska Łódź 2012

18 DFT: Oddziaływanie grafen-metal Własności elektronowe grafenu ulegają zmianie na skutek oddziaływania z metalami Oddziaływanie grafen-metal silne/słabe chemisorpcja fizysorpcja Co(111) Ni(111) Pd(111) Al(111) Ag(111) Cu(111) Au(111) Pt(111)

19 Czy DFT daje poprawne rezulataty?

20 Oddziaływanie grafenu z metalami STM STM [111] Au(111) [111] [110] [112] [110] [112] Cu(111)

21 Oddziaływanie grafen - Au STM MG Au MG Au MG Au STM STM

22 Oddziaływanie grafen-au Najprostsza wersja próbki do badań Identyfikacja optyczna nie możliwa Spektroskopia Ramana - wpływ oddziaływań interfejs grafen Au - nie Au(111)

Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 graphene SiO 2 Si(100) n0 n2 n 1 3 n d1 0.

nd 1 1 1 2 nd 2 2 2 I n re r e r e r r r e i i i i 1 1 2 3 1 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2 e r r e r r

23 Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 graphene SiO 2 Si(100) n0 n2 n 1 3 n d nm d2 300nm grafen/sio 2 /Si n r1 n r r 2 2 n n n n n n n n n n nd nd I n re r e r e r r r e i i i i e r r e r r e r r e i i i i P. Blake, et al. Appl. Phys. Lett. 91, (2007). 1 2

24 Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 P. Blake, et al. Appl. Phys. Lett. 91, (2007). C 1 1 I n1 In 1 I n 1 thickness of

25 Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 Mikroskop optyczny grafen/sio 2 /Si

26 Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 więcej niż 10 grafen dwuwarstwa trójwarstwa

27 Identyfikacja optyczna grafenu na Au n1 grafen n0 Au Cr SiO 2 n n 2 3 n4 Si(100) n5 I. Wlasny, P. Dabrowski,, arxiv: v1 (2011).

Identyfikacja optyczna grafenu na Au, i R n r r e r e r e r r r e r r r e i i i i 1 1 2 3 4 1

r r e r r e 2 3 1 3 1 1 2 1 2 3 i 2 3 3 4 2 4 1 2 3 4 i 2 i 3 r r e r r e r r e r r r r e 1 2

28 Identyfikacja optyczna grafenu na Au, i R n r r e r e r e r r r e r r r e i i i i i 1 3 i i i i i r r r e r r r e r r e r r e r r e i i 2 i 3 r r e r r e r r e r r r r e 1 2 C I n Rn I n 1 I n R n 1 R n I. Wlasny, P. Dabrowski,, arxiv: v1 (2011).

29 Identyfikacja optyczna grafenu na Au BG MG Au BG MG Au niebieski zielony BG MG Au BG MG Au czerwony żółty I. Wlasny, P. Dabrowski,, arxiv: v1 (2011).

30 Spektroskopia ramanowska grafitu HOPG G HOPG(0001) 2000 D-band G-band Intensity (a.u.) D-band D' D-band : defekty (~1350 cm -1 ) G-band : drgania w warstwie ( cm -1 ) 2D-band : od. międzywarstwowe (~2700 cm -1 ) Raman shift (cm -1 )

31 Spektroskopia ramanowska grafenu na SiO 2 Teoria/Eksperyment Dr Andrea C. Ferrari

32 Spektroskopia ramanowska grafenu na SiO 2 Powszechna procedura identyfikacji 1 - warstwa - 1 komponent 2 - warstwy - 4 komponenty 3 - warstwy - 15 komponentów ->6 Więcej niż 5 warstw 2 komponenty jak w graficie

33 Spektroskopia ramanowska grafenu na Au domieszkowanie pik 2D - dodatnie przesunięcie -> typ p pik 2D - ujemne przesunięcie -> typ n do 10 cm -1 naprężenia Poszerzenie pików G i 2D Przesunięcie piku 2D do 50 cm -1

34 Intensity [arb. units] Intensity [arb. units] Spektroskopia ramanowska grafenu na Au Brak teorii oddziaływania grafenu z metalami grafen/au/sio 2 /Si dwuwarstwa/au/sio 2 /Si Monolayer graphene Au/SiO 2 /Si Monolayer graphene SiO Bilayerr graphene Au/SiO 2 /Si Bilayerr graphene SiO D D Raman Shift [cm ] Raman Shift [cm ] 2800 A. Sozanska, P. Dabrowski, I. Wlasny, J. Slawinska, I. Zasada, XXII International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS 2010) Boston, USA, August 8-13, 2010 Au

35 Intensity [arb. units] Intensity [arb. units] Intensity [ arb. units] Intensity [arb. units] Spektroskopia ramanowska grafenu na Au 3200 Monolayer graphene Au/SiO 2 /Si Monolayer graphene SiO Monolayer graphene Au/SiO 2 /Si Monolayer graphene SiO G Raman Shift [cm -1 ] D Raman Shift [cm ] 6000 Bilayer graphene Au/SiO 2 /Si Bilayer graphene SiO Bilayer graphene Au/SiO 2 /Si Bilayer graphene SiO G D Raman Shift [cm -1 ] Raman Shift [cm ] 2800

36 Spektroskopia ramanowska grafenu na Au dv v F F q 1 d dq d E L v F d dq d d 0.08eVA dq v F 6.5eVA E 2.41 ev (514 nm) L / cm cm ev dv v F F 36.21d ev 1 2D d 17cm 7.6 %

37 Badania STM/STS grafenu na Au Istotą badanej próbki jest to, że warstwy o różnej grubości badane są jednocześnie W dużej skali rozdzielczość pomiędzy Au, MG, BG, TG jest bardzo słaba BG MG Au BG MG Au TG BG 1.6µm TG 1.0µm BG

counts Badania STM/STS grafenu na Au MG Au MG Au MG Au 750 600 450 300 graphene Au/Cr/SiO 2 /Si Au/Cr/SiO

38 counts Badania STM/STS grafenu na Au MG Au MG Au MG Au graphene Au/Cr/SiO 2 /Si Au/Cr/SiO 2 /Si Rozkład wysokości podłoża Au/Cr/SiO 2 /Si i MG/ Au/Cr/SiO 2 /Si Height [nm]

39 Badania STM/STS grafenu na Au MG Au MG Au MG Au MG MG Atomowa zdolność rozdzielcza Obserwowano strukturę trójkątną i sześciokątną. Struktura typowa dla grafitu była obserwowana częściej.

40 Badania STM/STS grafenu na Au Rozdzielczość atomowa BG MG Au BG TG 1.0µm BG

41 Badania STM/STS grafenu na Au Rozdzielczość atomowa TG

42 Oddziaływanie grafen/au - LDOS Mapy elektronowej funkcji gęstości stanów STM MG Au CITS BG MG BG TG BG 1.0µm TG BG LDOS( x,y, E F ev)

43 Oddziaływanie grafen/au - LDOS Mapy elektronowej funkcji gęstości stanów (CITS) BG MG TG BG E F +0,03 ev E F +0,07 ev E F +0,2 ev E F +0,6 ev E F -0,03 ev E F -0,07 ev E F -0,2 ev E F -0,6 ev

44 Oddziaływanie grafen/au - LDOS di dv dt E, ev, z s r, ev t r,0 T ev, ev, z s r, E t r, E ev de dv DFT 450 x 450 nm 2 max E F E F

45 Badania STS grafenu na Au MG E F ev E F ev E F ev E F ev E F ev E F ev E F ev E F ev LDOS (E, x, y) na MG/Au - obszar 100 nm x 100 nm

46 Badania STS grafenu na Au di dv dt E, ev, z s r, ev t r,0 T ev, ev, z s r, E t r, E ev de dv E E E D E D D D LDOS (E, x, y) na MG/Au - obszar 100 nm x 100 nm Na ciemnoniebieskim zachowanie typowe dla MG/Au(111) J. Slawinska, I. Wlasy, P. Dabrowski,, I. Zasada Phys. Rev. B 85 (2012)

47 Badania STS grafenu na Au MG Au Au MG Au Na Au obserwowaliśmy dwa zachowania SS

48 Badania STM/STS Au E F 0.1 M Au(111) S G S M L.C. Davis, M.P. Everson, R.C. Jaklevic, W. Shen, Phys. Rev. B 43 (1991) I G exp V / V de exp ( E E) / E f EF E0 E f EF E0 E ev e n 0.2 e r g 0.3 y [ev] V / 2 ed m 1/ 2 * E1 E / a (1 d(1 m / m ) / a 0.4 E k [A -1 ] 2 2 k E( k) EF E0 * 2m Stan powierzchniowy Schockleya +0.2 c o n d u c t a n c e -0.8 ev T=4 K T=300 K T=490 K E o -0.4eV E F

Badania STM/STS Au Au(111) +1.0 e n +0.5 e r g 0 y [ev] -0.

50 T=293 K T=293 K (di/dv)/(i/v) SS -1.0 +1.0 e n +0.5 e r g 0 y [ev] -0.

5-0.3 0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 bias [V] -1.0-0.8-0.5-0.3 0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 bias [V] T=493 K T=493 K SS -1.

49 Badania STM/STS Au Au(111) +1.0 e n +0.5 e r g 0 y [ev] -0.5 T=293 K tunneling current [na] T=293 K T=293 K (di/dv)/(i/v) SS e n +0.5 e r g 0 y [ev] [nm] T=493 K 12 tunneling current [na] bias [V] bias [V] T=493 K T=493 K SS [nm] bias [V] bias [V]

50 Badania STS grafenu na Au LDOS (E, x, y) na MG/Au - obszar 100 nm x 100 nm Au(111) poli

Przewodnictwo złącza grafen-metal G 1 4e R h C 2 TM 2 0 1 4e devoigt E E R h C E E 0, t 1 1 FM 1, M 1 M 2 min, 1 n de GE E, t T k, E E 2 2 FG 2 y 1 2 W n0 W Voigt E E FM, t 1 1,

51 Przewodnictwo złącza grafen-metal G 1 4e R h C 2 TM e devoigt E E R h C E E 0, t 1 1 FM 1, M 1 M 2 min, 1 n de GE E, t T k, E E 2 2 FG 2 y 1 2 W n0 W Voigt E E FM, t 1 1, Konwolucja funkcji Gaussa o szerokości t 1 i funkcji Lorentza o szerokości i energii odcięcia E 0. 1 G( x, t ) exp x / t t t v 2 n 2 F 0 E M 1,2 1,2 W v F T TT K GM T T K GM

52 Przewodnictwo złącza grafen-metal Teoria DFT E FM???? eksperyment STS ARPES C E e devoigt E E R h E 0, t 1 1 FM 1, M 1 M 2 min, 1 n de GE E, t T k, E, E 2 2 FG 2 y 1 2 W n0 W

53 Oddziaływanie grafen/au - LDOS Formuła Landauera G 2 4e h TM M liczba modów przewodnictwa w grafenie T współczynnik transmisji nośników Au(111) E F Au poli E F W M E v F F W Au poli wstrzykuje więcej nośników

54 Podsumowanie Własności elektronowe grafenu zmieniają się na skutek oddziaływania z podłożem Niezaburzony grafen nie istnieje Struktura elektronowa grafenu może być zmieniona na skutek zewnętrznego domieszkowania

Podobne dokumenty

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET

Ćwiczenie 4. Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET Ćwiczenie 4 Parametry statyczne tranzystorów polowych JFET i MOSFET Cel ćwiczenia Podstawowym celem ćwiczenia jest poznanie charakterystyk statycznych tranzystorów polowych złączowych oraz z izolowaną