Oddziaływanie grafenu z metalami Oddziaływanie grafenu z metalami prof. dr hab. Zbigniew Klusek
Grafen dla czego intryguje? v E U V E d cm d cm v t s en Transport dyfuzyjny Transport kwantowy balistyczny
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
Tranzystory pracujące z częstością giga herców
Elektronika analogowa Tranzystory bipolarne (n-p-n) or (p-n-p) Tranzystory unipolarne FET
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 częstotliwość odcięcia wewnętrzna transkonduktancja pojemność bramka-źródło pojemność bramka-dren przewodność drenu opór źródła opór drenu Wszystkie pojemności i oporności powinny być jak najmniejsze
Częstotliwość odcięcia f T gm 2 1 1 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
Przewodnictwo złącza grafen-metal We wszystkich aplikacjach wymagany jest kontakt elektryczny Au
Przewodnictwo złącza grafen-metal Rolf Landauer (1927-1999) Formuła Landauera G 2 N 2e h n1 T n G 2 N 2e h n1 MT n
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. 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, 111601 (2013)
DFT grafen na Au(111) Geometria adsorpcji grafen/au(111) widok z góry Geometria adsorpcji grafen/au(111) widok z boku
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.
DFT: Oddziaływanie grafen-metal czysty grafen fizysorpcja Cu(111) J. Sławińska, Rozprawa Doktorska Łódź 2012
DFT: Oddziaływanie grafen-metal E F E D E D E F Domieszkowanie typu p Domieszkowanie typu n
DFT: Oddziaływanie grafen-metal czysty grafen fizysorpcja Cu(111) chemisorpcja Ni(111) J. Sławińska, Rozprawa Doktorska Łódź 2012
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)
Czy DFT daje poprawne rezulataty?
Oddziaływanie grafenu z metalami STM STM [111] Au(111) [111] [110] [112] [110] [112] Cu(111)
Oddziaływanie grafen - Au STM MG Au MG Au MG Au STM STM
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 0.34 nm d2 300nm grafen/sio 2 /Si n r1 n r r 2 2 n n n n n n 0 1 0 1 n n 1 2 1 2 n n 2 3 2 3 2 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 e r r e i i i i 1 2 1 3 2 3 1 2 1 2 1 2 1 2 P. Blake, et al. Appl. Phys. Lett. 91, 063124 (2007). 1 2
Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 P. Blake, et al. Appl. Phys. Lett. 91, 063124 (2007). C 1 1 I n1 In 1 I n 1 thickness of
Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 Mikroskop optyczny grafen/sio 2 /Si
Identyfikacja optyczna grafenu na SiO 2 więcej niż 10 grafen dwuwarstwa trójwarstwa
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:1102.4953v1 (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 2 3 1 3 4 1 1 2 1 2 3 2 3 2 3 i 1 3 i i i i i 1 2 4 2 3 4 1 1 2 1 3 1 4 r r r e r r r e r r e 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 C I n Rn I n 1 I n R n 1 R n 1 1 1 1 1 1 1 1 I. Wlasny, P. Dabrowski,, arxiv:1102.4953v1 (2011).
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:1102.4953v1 (2011).
Spektroskopia ramanowska grafitu 3000 2500 HOPG G HOPG(0001) 2000 D-band G-band Intensity (a.u.) 1500 1000 500 0 2D-band D' D-band : defekty (~1350 cm -1 ) G-band : drgania w warstwie (1581.5 cm -1 ) 2D-band : od. międzywarstwowe (~2700 cm -1 ) -500 1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000 Raman shift (cm -1 )
Spektroskopia ramanowska grafenu na SiO 2 Teoria/Eksperyment Dr Andrea C. Ferrari
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
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
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 6000 5000 Monolayer graphene Au/SiO 2 /Si Monolayer graphene SiO 2 6000 Bilayerr graphene Au/SiO 2 /Si Bilayerr graphene SiO 2 4000 3000 2D 4500 3000 2D 2000 1000 1500 0 2600 2650 2700 2750 2800 Raman Shift [cm ] 0 2600 2650 2700 2750 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
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 2 6000 5000 Monolayer graphene Au/SiO 2 /Si Monolayer graphene SiO 2 2400 1600 800 0 G 1540 1560 1580 1600 1620 Raman Shift [cm -1 ] 4000 3000 2000 1000 2D 0 2600 2650 2700 2750 2800 Raman Shift [cm ] 6000 Bilayer graphene Au/SiO 2 /Si Bilayer graphene SiO 2 6000 Bilayer graphene Au/SiO 2 /Si Bilayer graphene SiO 2 4500 3000 G 4500 3000 2D 1500 1500 0 1540 1560 1580 1600 1620 Raman Shift [cm -1 ] 0 2600 2650 2700 2750 Raman Shift [cm ] 2800
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 2680 1 / 2 1340 1 0.1663 2 cm cm ev dv v F F 36.21d ev 1 2D d 17cm 7.6 %
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 2 /Si Rozkład wysokości podłoża Au/Cr/SiO 2 /Si i MG/ Au/Cr/SiO 2 /Si 150 0-1 0 1 2 3 4 5 6 7 Height [nm]
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.
Badania STM/STS grafenu na Au Rozdzielczość atomowa BG MG Au BG TG 1.0µm BG
Badania STM/STS grafenu na Au Rozdzielczość atomowa TG
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 +0.010 ev)
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
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
Badania STS grafenu na Au MG E F + 0.01 ev E F + 0.08 ev E F + 0.15 ev E F + 0.27 ev E F - 0.01 ev E F - 0.08 ev E F - 0.15 ev E F - 0.27 ev LDOS (E, x, y) na MG/Au - obszar 100 nm x 100 nm
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)
Badania STS grafenu na Au MG Au Au MG Au Na Au obserwowaliśmy dwa zachowania SS
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) 3821. I G exp V / V de exp ( E E) / E 0 0 0 1 0 f EF E0 E f EF E0 E ev e n 0.2 e r g 0.3 y [ev] V 0 2 2 / 2 ed m 1/ 2 * E1 E / a (1 d(1 m / m ) / a 0.4 E 0 0.5-0.2-0.1 0.0 +0.1 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] -0.5 T=293 K tunneling current [na] 1.00 0.75 0.50 0.25 0.00-0.25-0.50 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 6 [nm] T=493 K 12 tunneling current [na] -0.75-1.00 0.50 0.25 0.00-0.25-1.0-0.8-0.5-0.3 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 -1.0 0 6 [nm] 12-0.50-1.0-0.8-0.5-0.3 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]
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, 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 2 2 2 2 2 t v 2 n 2 F 0 E M 1,2 1,2 W v F T TT K GM 1 1 1 T T K GM
Przewodnictwo złącza grafen-metal Teoria DFT E FM???? eksperyment STS ARPES C E 2 0 1 4e 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
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
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