Nanocintas de grafeno

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Las nanocintas de grafeno son tiras estrechas de grafeno con un ancho de aproximadamente 10 a 100 nm . En sus propiedades físicas, se diferencian de muestras más amplias, que tienen una ley de dispersión lineal, como en el grafeno infinito. Las nanocintas son interesantes porque tienen una ley de dispersión no lineal y propiedades semiconductoras debido a la presencia de una banda prohibida , que depende del ancho de la cinta y la disposición de los átomos en los límites. Por lo tanto, las nanocintas de grafeno se consideran un paso importante en la creación de un transistor basado en grafeno que funcione a temperatura ambiente.

Métodos de fabricación

El método principal para preparar muestras de grafeno es la exfoliación mecánica de capas de grafito pirolítico mediante cinta adhesiva y la posterior deposición de silicio altamente dopado recubierto con una capa dieléctrica (SiO 2 ) sobre un sustrato. Cuando se usa este método, la búsqueda de grafeno se lleva a cabo en un microscopio óptico y, dado que en este caso no se pueden examinar los nanoobjetos, primero se encuentra una muestra relativamente grande. Se somete a un procedimiento estándar de litografía electrónica, que consigue una resolución del orden de los 10 nm. Primero, el sustrato con la resistencia de electrones depositada con grafeno se cierra y la resistencia se ilumina usando un haz de electrones, aplicando las dimensiones requeridas de nanocintas de grafeno, y después de quitar la resistencia no expuesta (para una resistencia negativa o, por el contrario, quitando la resistencia expuesta para una resistencia positiva), se realiza el grabado con plasma . En los trabajos [1] [2] , se utilizó una resistencia electrónica HSQ .

Utilizando el método químico [3] , se crearon nanocintas de menos de 10 nm de ancho. Este método requiere grafito expandido térmicamente . Este método no implica el uso de litografía y grabado, por lo que los límites de las nanocintas son uniformes.

Existe otro método [4] que no utiliza litografía, ya que la máscara aquí es un delgado filamento de cuarzo (diámetro 200 nm), lo que evita posibles daños y contaminación durante la litografía. Además, el método no requiere mucho tiempo.

Nanocintas ideales

Dado que el grafeno es un semimetal, es imposible deshacerse de los portadores mediante la aplicación de un voltaje de puerta y, por lo tanto, siempre habrá una corriente de fuga alta en las estructuras de grafeno. Para paliar este efecto indeseable, se propone el uso de tiras estrechas de grafeno, que por su tamaño se denominan nanocintas, donde, debido al efecto de tamaño cuántico , es posible la formación de una banda prohibida , cuyo ancho es inversamente proporcional. proporcional al tamaño transversal de la cinta. [1] [2] [5]

Sin embargo, no todas las nanocintas en teoría tienen una banda prohibida, ya que esto depende en gran medida de la ubicación de los átomos del límite, y en el caso general, todas las nanocintas con la disposición de los átomos en el borde en zigzag (borde de aceno) ( ing. zig-zag ) no tienen banda prohibida, es decir, son de metal. [6] En la fig. 1. muestra cómo se pueden cortar diferentes nanocintas de grafeno infinito, dependiendo de la orientación, con una disposición diferente de átomos en los límites. Si los átomos están dispuestos en un sillón (borde de fenantreno) ( eng. sillón ), y su número es diferente de N=(3M-1), donde M es un número entero, se forma una banda prohibida [7] , N es el número de dímeros, como se muestra en el arroz. 2, ancho de nanocinta. Existe un modelo analítico simple [6] basado en el uso de la ecuación de Dirac para el grafeno , que se puede utilizar para estimar los intervalos de banda para nanocintas de grafeno ideales, donde los átomos de la frontera están dispuestos en forma de sillón o en zigzag. patrón (ver Fig. 2). Se utilizan métodos analíticos para estudiar nanocintas de grafeno con límites aproximados: aproximación adiabática [8] ; o métodos de simulación numérica más complejos: aproximación de acoplamiento estrecho [9] [5] [10] , método funcional de densidad [11] [12] [13] .

Formación de una zona prohibida

Cuando se producen defectos en la interfaz, las nanocintas pasan del estado metálico al estado semiconductor. Dado que no es posible lograr una precisión atómica con la litografía , aún no ha sido posible obtener una nanocinta metálica.

Experimento

Usando litografía electrónica, el grafeno se puede convertir en cintas estrechas de hasta 20 nm. [1] Debido al efecto del tamaño cuántico , la brecha de banda con un ancho de cinta de 20 nm es de 28 meV . Al reducir el ancho de la nanocinta, se puede lograr un espacio de banda mayor, ya que es inversamente proporcional al ancho. Aquí falta la litografía electrónica y se ha propuesto un método químico para obtener nanocintas de grafeno a partir de grafito. [3] Usando este método, es posible crear nanocintas con límites suaves y un ancho de menos de 10 nm. [14] Estos transistores, que utilizaban un sustrato de silicio altamente dopado como puerta inversa , mostraban una relación de corriente de encendido a apagado de aproximadamente 106 a temperatura ambiente. Debido a la barrera de Schottky entre el contacto metálico ( Pd o Ti / Au ) y el grafeno, la resistencia de contacto era de unos 60 kΩ para nanocintas de unos 2,5 nm de ancho, y la movilidad estimada del portador era de unos 100 cm²V- 1 s - 1 .

Para una nanocinta de 850 nm de largo y 30 nm de ancho, la conductancia (conductividad) en función del voltaje de puerta se midió con una polarización constante aplicada de 10 mV [15] . La conductancia a temperatura ambiente tenía una característica suave en forma de V, pero a medida que la temperatura se reducía a 90 K, aparecieron varias mesetas de cuantificación con un paso de 1,7 μS. Esta cuantificación de conductancia está asociada con la formación de subbandas de cuantificación de tamaño en cintas estrechas de ancho , cuando el vector de onda de la partícula se cuantifica en la dirección transversal , donde es un número entero. La energía de las cuasipartículas en subbandas unidimensionales se describe mediante la expresión $W$ $k_{\bot }W=\pi m$ $metro$

E_{m}=\pm \hbar v_{F}{\sqrt {k_{||}^{2}+(m+\alpha )^{2}\pi ^{2}/W^{2 }}},

donde es la constante de Planck, es la velocidad de Fermi, es el vector de onda asociado con el movimiento a lo largo de la nanocinta, es un parámetro que depende de la orientación cristalográfica. La brecha de banda es igual a $\hbar$ $v_{F}$ $k_{||}$ $\alfa$

E_{g}=2\Delta E|\alfa |,

donde es la distancia entre los niveles. La conductancia de la nanocinta se describe mediante la siguiente expresión $\Delta E=\hbar v_{F}\pi /W$

G={\frac {4e^{2}}{h}}\sum_{i}{\int {T_{i}(E)\left({\frac {\parcial f_{0}} {\E parcial}}\right)dE)),

donde es el coeficiente de transmisión de la portadora para cada subbanda, es la función de distribución de Fermi-Dirac y μ es el potencial químico. Los coeficientes cambian en pasos, es decir, cuando la energía E excede el nivel de cuantificación del tamaño, el coeficiente se vuelve distinto de cero (tomado como uno por simplicidad). Debido a la ampliación de la temperatura, la cuantificación de la conductancia en función de la energía de Fermi (potencial químico) y, en consecuencia, de la densidad de la portadora y el voltaje de la puerta, no será perceptible a temperatura ambiente con un ancho de nanocinta de 30 nm, pero es claramente perceptible a temperaturas más bajas (ver Fig. 3). ${\ Displaystyle T_ {i} (E)}$ $f_{0}=1/(1+\exp {(E-\mu )/kT})$ ${\ Displaystyle T_ {i} (E)}$

Notas

↑ 1 2 3 Chen Zh. et. Alabama. Graphene Nano-Ribbon Electronics Physica E 40 , 228 (2007) doi : 10.1016/j.physe.2007.06.020 Preprint Archivado el 18 de agosto de 2016 en Wayback Machine .
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↑ 1 2 Li X., et. Alabama. Semiconductores de nanocintas de grafeno ultrasuaves derivados químicamente Science 319 , 1229 (2008) doi : 10.1126/science.1150878
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↑ 1 2 Chung, HC; Chang, C. P.; Lin, CY; Lin, MF (2016). “Propiedades electrónicas y ópticas de nanocintas de grafeno en campos externos”. Química Física Química Física . 18 (11): 7573–7616. DOI : 10.1039/C5CP06533J .
↑ 1 2 Brey L. y Fertig HA Estados electrónicos de nanocintas de grafeno estudiados con la ecuación de Dirac Phys. Rvdo. B 73 , 235411 (2006) doi : 10.1103/PhysRevB.73.235411 Preimpresión
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