Posted in | Nanoelectronics | Graphene

Ny metod använder vatten molekyler för tunerband Gap i Grafen

Published on October 27, 2010 at 3:55 AM

Forskare vid Rensselaer Polytechnic Institute utvecklat en ny metod för att använda vatten för att finjustera bandgap av nanomaterial grafen, öppnar dörren för nya grafen-baserade transistorer och nanoelektronik.

Genom att exponera en grafen film för fukt, var Rensselaer professor Nikhil Koratkar och hans forskargrupp kunna skapa ett bandgap i grafen - en kritisk förutsättning för att skapa grafen transistorer. I hjärtat av modern elektronik, transistorer är enheter som kan kopplas "på" eller "av" att ändra en elektrisk signal. Computer mikroprocessorer består av miljontals transistorer tillverkade av halvledande material kisel, som branschen aktivt söker en efterträdare.

I denna optiska mikroskop bild, är en grafen film på en kiseldioxid substrat som elektriskt testades med en fyrgradig sond.

Grafen, en atom tjocka blad av kolatomer ordnade som ett nanoskala kedje-länk staket, har inga bandgap. Koratkar team visat hur man öppnar ett bandgap i grafen baseras på den mängd vatten de adsorberas till ena sidan av materialet, just tuning bandet avståndet till ett värde från 0 till 0,2 elektronvolt. Denna effekt var fullt reversibla och bandgap reduceras till noll under vakuum. Tekniken innebär inte någon komplicerad konstruktion eller modifiering av grafen, men kräver en inhägnad där fukt kan justeras.

"Grafen är uppskattad för sitt unika och attraktiva mekaniska egenskaper. Men om du skulle bygga en transistor med hjälp av grafen, det helt enkelt inte skulle fungera så grafen fungerar som en semi-metall och har noll bandgap," sade Koratkar, professor i Institutionen för mekanik, Aerospace, och Nuclear Engineering vid Rensselaer. "I denna studie visade vi en relativt enkel metod för att ge grafen ett bandgap. Detta kan öppna dörren för att använda grafen för en ny generation av transistorer, dioder, nanoelektronik, nanofotonik och andra applikationer."

Resultaten av studien beskrivs i tidningen "Avstämbara bandgap i grafen genom att Kontrollerad adsorbtion av vattenmolekyler," publicerades i veckan av tidskriften Small.

I sitt naturliga tillstånd har grafen en märklig struktur, men inget bandgap. Det fungerar som en metall och är känd som en bra ledare. Detta kan jämföras med gummi eller de flesta plaster, som är isolatorer och inte leda elektricitet. Isolatorer har ett stort bandgap - en energi gapet mellan Valence och band överledning - som hindrar elektronerna från att göra sig fritt i materialet.

Mellan de två är halvledare, som kan fungera både som ledare och isolatorer. Halvledare har ett smalt bandgap, och tillämpning av ett elektriskt fält kan framkalla elektroner att hoppa över klyftan. Möjligheten att snabbt växla mellan de två staterna - "på" och "off" - är därför halvledare är så värdefulla inom mikroelektronik.

"I hjärtat av en halvledarenheter är ett material med ett bandgap," Koratkar sagt. "Om man tittar på chips och mikroprocessorer i dagens mobiltelefoner, mobila enheter och datorer, innehåller varje en mängd transistorer tillverkade av halvledare med bandgap. Grafen är en nolla bandgap material, vilket begränsar dess användbarhet. Så det är viktigt att utveckla metoder för att framkalla ett bandgap i grafen att göra det en relevant halvledande material. "

Symmetrin i grafen gitterstrukturen har identifierats som en orsak till den väsentliga bristande bandgap. Koratkar utforskade tanken att bryta denna symmetri genom att binda molekyler till bara ena sidan av grafen. För att göra detta, fabricerade han grafen på en yta av kisel och kiseldioxid, och sedan utsatt grafen till en klimatkammare med kontrollerad fuktighet. I kammaren, vattenmolekylerna adsorberas till exponerade sidan av grafen, men inte på den sida som vetter mot kiseldioxid. Med symmetrin bryts, gjorde bandgap av grafen, ja, öppna upp, sade Koratkar. Bidrar också till att effekten är fukt interagera med defekter i kiseldioxid substrat.

"Andra har visat hur man skapar ett bandgap i grafen genom att adsorbera olika gaser till dess yta, men detta är första gången det har gjorts med vatten", sa han. "Fördelen med vatten adsorption, jämfört med gaser, är att det är billigt, giftfritt, och mycket lättare att kontrollera i ett chip ansökan. Till exempel med framsteg inom mikro-förpackningar teknik är det relativt enkelt att bygga en liten inhägnad kring vissa delar eller helheten av ett datachip där det skulle vara ganska lätt att kontrollera nivån av fuktighet. "

Baserat på luftfuktigheten i höljet kunde chip beslutsfattare reversibelt finjustera bandgap av grafen till ett värde från 0 till 0,2 elektronvolt, sade Korarkar.

Källa: http://www.rpi.edu/

Last Update: 4. October 2011 20:12

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit