الجرافين: هل هو مستقبل أشباه الموصلات؟ نظرة عامة على المواد والأجهزة والتطبيقات
بواسطة ياو أوبينج وبوروشوثامان سرينيفاسان
In
مقالة - سلعة، we محاولة إلى تلخيص ال الجرافين مكون من سلسلة ندوات ECS حول "الجرافين ، Ge /III-V والأسلاك النانوية والمواد الناشئة لما بعد CMOS التطبيقات. ”1 رغم أنها ليست شاملة وكاملة ، إلا أنها مراجعة من الأوراق المقدمة في هذه الندوات يقدم موجزاً
لمحة عن حالة أبحاث الجرافين على مدى السنوات القليلة الماضية سنوات.
تاريخ الجرافين
في عام 1947 ، كان من المتوقع أن يمتلك الجرافين خصائص إلكترونية استثنائية ، إذا أمكن عزله. مادة قائمة بذاتها ، بسبب طبيعتها غير المستقرة. كان A. Geim و K. Novoselov وزملاؤه من بين الأوائل الذين حصلوا بنجاح على أفلام الجرافين القائمة بذاتها بعيد المنال ، والذي كان إنجازًا رائعًا. وبالتالي ، فإن جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2,3 التي مُنحت لجيم ونوفوسيلوف عن "التجارب الرائدة فيما يتعلق بالجرافين المادي ثنائي الأبعاد" يجب أن يتم الاحتفال بها باعتبارها اعترافًا بالبراعة الرائعة في الفيزياء التجريبية.
يعرّف الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC) الجرافين بأنه طبقة كربون مفردة من بنية الجرافيت ، ويصف طبيعته عن طريق القياس على هيدروكربون عطري متعدد الحلقات بحجم شبه لانهائي .5 وبالتالي ، يجب استخدام مصطلح الجرافين فقط عندما تمت مناقشة التفاعلات أو العلاقات الهيكلية أو الخصائص الأخرى لطبقة واحدة. في السابق ، تم استخدام أوصاف مثل طبقات الجرافيت أو طبقات الكربون أو صفائح الكربون لمصطلح الجرافين.
السباق لعزل الجرافين
لقد كان هناك جهد طويل ومتواصل لإنتاج أفلام الجرافين القائمة بذاتها. تمت دراسة طرق مختلفة لعزل الجرافين. كانت إحدى أولى المحاولات الموثقة لعزل الجرافين من خلال التقشير بالطرق الفيزيائية أو الكيميائية. على سبيل المثال ، تم تقشير الجرافيت لأول مرة في عام 1840 ، عندما حاول C. Schafheutl تنقية "الكيش" من مصاهر الحديد عن طريق معالجته بمزيج من أحماض الكبريتيك والنتريك.6 تم تحضير أكسيد الجرافيت لأول مرة بواسطة Brodie في عام 1859 ، عن طريق معالجة الجرافيت بمزيج من كلورات البوتاسيوم وحمض النيتريك المدخن.7,8 بوم وآخرون. وصف تكوين صفائح رقيقة للغاية من الكربون ، تتكون من طبقات كربون قليلة كما تم قياسها بواسطة TEM ، إما عن طريق "احتراق أكسيد الجرافيت عند التسخين أو عن طريق تقليل أكسيد الجرافيت في التعليق القلوي".9 لقد قيل أن تقنيات تحضير العينة لصنع عينات TEM أدت إلى تكتل طبقة مفردة من الجرافين في الصفائح التي وصفها Boehm. وآخرون. في أي من هذه الأعمال المبكرة ، لم يتم عزل ملفات الجرافين أو أكسيد الجرافين "القائمة بذاتها" أو تحديدها على هذا النحو.
نجحت مجموعة Geim (الشكل 2 أ) في عزل الجرافيت الرقيق ذريًا باستخدام شريط لاصق لتقشير الطبقات من رقائق الكريستال الجرافيت ثم فرك تلك الطبقات الجديدة برفق على سطح السيليكون المؤكسد. كما تمكنوا من تحديد سماكة هذه الطبقة التي كانت بسمك قليل من الأنجستروم باستخدام AFM. تذكرنا تقنية "الشريط اللاصق" باستخدام الشريط اللاصق لتقشير البلورات ذات الطبقات بشكل روتيني (على سبيل المثال، والجرافيت ، والميكا ، وما إلى ذلك) ، المجمعة معًا بواسطة قوى فان دير فال ، لفضح الأسطح الجديدة.10,11
في العقد الماضي أو نحو ذلك ، استخدمت المجموعة في Georgia Tech بقيادة Walter de Heer طريقة النمو فوق المحور لعزل الجرافين (الشكل 2 ب). تم اختيار كربيد السيليكون كركيزة ، وأظهرت المجموعة أنه يمكن إنتاج الجرافين الفوقي عن طريق التحلل الحراري ل SiC والذي يمكن تشكيله وبواباته.12 علاوة على ذلك ، أظهروا أن الجرافين الفوقي أظهر خصائص إلكترونية ثنائية الأبعاد بالإضافة إلى الحبس الكمي وتأثيرات التماسك الكمي. في الوقت نفسه ، استخدمت مجموعة فيليب كيم في جامعة كولومبيا AFM لفصل طبقات الجرافين ميكانيكيًا عن الجرافيت. لقد نجحوا في عزل بنية متعددة الطبقات تتكون من حوالي 2 طبقات.13
في الآونة الأخيرة ، نجح فريق Ruoff في تصنيع الجرافين باستخدام النمو فوق المحور بواسطة ترسيب البخار الكيميائي للهيدروكربونات على ركائز معدنية. في هذه الحالة ، كانت الركيزة المعدنية هي النحاس (الشكل 2 ج).14 وتتمثل ميزة هذه التقنية في أنها يمكن أن تمتد بسهولة إلى مناطق كبيرة بمجرد زيادة حجم الركيزة المعدنية المصنوعة من النحاس ونظام النمو. بشكل عام ، يوفر النمو الفوقي للجرافين الطريق الواعد نحو الإنتاج ، والتقدم السريع في هذا الاتجاه قيد التقدم حاليًا. وبالمثل ، قامت مجموعة كونغ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أيضًا بتنمية الجرافين عن طريق التصلب على الأسطح المعدنية ، مثل Ni أو Pt (الشكل 2 ج).15 في تقنية epitaxy-on-metal ، يتم نقل فيلم الجرافين إلى ركائز عمل مناسبة عن طريق الإزالة الكيميائية للركيزة المعدنية الأولية.
خصائص الجرافين
الجرافين هو طبقة أحادية مسطحة من sp2 ذرات الكربون معبأة بإحكام في شبكة قرص العسل ثنائية الأبعاد (2D) ، وهي لبنة أساسية للمواد القائمة على الكربون (الشكل 1). في عام 1947 ، استخدم والاس نظرية النطاق للمواد الصلبة مع تقريب ربط محكم ، لشرح العديد من الخصائص الفيزيائية للجرافيت.3 في تلك الورقة ، قدم المؤلف افتراضًا مستبصرًا إلى حد ما: "نظرًا لأن التباعد بين المستويات الشبكية من الجرافيت كبير (3.37 أ) مقارنة بالمسافات السداسية في الطبقة 1.42 أ ، يمكن الحصول على أول تقدير تقريبي في معالجة الجرافيت من خلال إهمال التفاعلات بين الطائرات ، وافتراض أن التوصيل يحدث فقط في طبقات ". هذا الافتراض يجعل التحليلات اللاحقة قابلة للتطبيق بشكل ملائم على المادة التي نعرفها الآن باسم الجرافين.
إن نظام الجرافين ثنائي الأبعاد ليس مثيرًا للاهتمام في حد ذاته فحسب ؛ ولكنه يسمح أيضًا بالوصول إلى الفيزياء الدقيقة والغنية للديناميكا الكهربية الكمية في تجربة على مقاعد البدلاء. نوفوسيلوف وآخرون.16 أظهر أن نقل الإلكترون في الجرافين يخضع أساسًا لمعادلة ديراك (النسبية). حاملات الشحنة في الجرافين تحاكي الجسيمات النسبية ذات الكتلة الصفرية للراحة ولها سرعة ضوء فعالة ، ج * ≈ 106 cm- 1s-1. كشفت دراستهم عن مجموعة متنوعة من الظواهر غير العادية التي تميز فرميونات ديراك ثنائية الأبعاد. على وجه الخصوص ، لاحظوا أن موصلية الجرافين لا تقل أبدًا عن القيمة الدنيا المقابلة لوحدة الكم للتوصيل ، حتى عندما تميل تركيزات حاملات الشحنة إلى الصفر. علاوة على ذلك ، فإن تأثير هول الكمي الصحيح في الجرافين شاذ لأنه يحدث عند عوامل ملء نصف عدد صحيح ، وكتلة السيكلوترون mc من ناقلات عديمة الكتلة في الجرافين E = mcc*2.
أحد الجوانب الأكثر روعة في الفيزياء التي أتاحها عزل الجرافين هو العرض التجريبي لما يسمى بمفارقة كلاين - اختراق غير معاق للجسيمات النسبية من خلال حواجز محتملة عالية وواسعة. تمت مناقشة هذه الظاهرة في العديد من السياقات في الفيزياء الجسيمية والنووية والفلكية ، لكن الاختبارات المباشرة لمفارقة كلاين باستخدام الجسيمات الأولية أثبتت حتى الآن أنها مستحيلة. كاتسنلسون وآخرون. أظهر أنه يمكن اختبار التأثير في تجربة بسيطة من الناحية النظرية للمادة المكثفة باستخدام حواجز كهروستاتيكية في الجرافين أحادي الطبقة وثنائي الطبقة.17 بسبب الطبيعة اللولبية لأشباه الجسيمات ، يصبح النفق الكمومي في هذه المواد متباينًا بدرجة كبيرة ، ويختلف نوعياً عن حالة الإلكترونات العادية غير النسبية. تتيح فرميونات Dirac عديمة الكتلة في الجرافين تحقيقًا دقيقًا لتجربة Klein Gedanken ، بينما تقدم الفرميونات اللولبية الضخمة في الجرافين ثنائي الطبقة نظامًا تكميليًا مثيرًا للاهتمام يوضح الفيزياء الأساسية المعنية.
إلى جانب هذه الأمثلة للفيزياء الجديدة ، أظهر الجرافين بعض الخصائص الإلكترونية المذهلة ، كما هو موضح أدناه.
ناقلات الشحنة في الجرافين.—تفقد الإلكترونات التي تنتشر عبر شبكة قرص العسل كتلتها الفعالة تمامًا ، مما ينتج عنه شبه جسيمات تسمى "ديراك فيرميونات" التي يتم وصفها بمعادلة شبيهة بديراك بدلاً من معادلة شرودنجر كما هو موضح في الشكل 3 أ و 3 ب. يمكن النظر إلى هذه على أنها إلكترونات لها كتلة صفرية م0 أو كنيوترينوات اكتسبت شحنة الإلكترون e. يُظهر الجرافين ثنائي الطبقات نوعًا آخر من أشباه الجسيمات التي ليس لها تشابهات معروفة. إنها فرميونات ديراك الضخمة الموصوفة بمزيج من معادلات ديراك وشرودنجر.
هيكل الفرقة من الجرافين.—Graphene هو شبه فلز وهو أشباه موصلات ذات فجوة صفرية (الشكل 4 أ). بالإضافة إلى ذلك ، يتغير هيكل النطاق الإلكتروني للجرافين ثنائي الطبقة بشكل كبير من خلال تأثير المجال الكهربائي ، ويمكن ضبط فجوة أشباه الموصلات ΔE بشكل مستمر من صفر إلى ≈0.3 فولت إذا كان SiO2 يستخدم كعزل. قدمت دراسة حديثة أجرتها شركة IBM دليلاً حيث تم ضبط فجوة نطاق الطاقة بترتيب 0.13 فولت باستخدام الهيكل كما هو موضح في الشكل 4 ب.
الموصلية الحرارية والتنقل.—Graphene هو مادة ثنائية الأبعاد حيث يوجد القليل من تشتت الفونون أو لا يوجد به تشتت. بشكل عام ، تشارك الفونونات منخفضة الطاقة في النظام في نقل الحرارة ؛ وبالتالي ، فإنه يوفر موصلية حرارية أعلى. يُظهر الجرافين تأثير المجال الكهربائي ثنائي القطب (الشكل 2 أ) بحيث يمكن ضبط حاملات الشحنة بشكل مستمر بين الإلكترونات والثقوب بتركيزات تصل إلى 513 cm-2 (الشكل 5 ب) ، وقدرتها على الحركة μ لما يزيد عن 15,000 سم2 V-1 s-1 حتى في ظل الظروف المحيطة. تعتمد الحركات المرصودة بشكل ضعيف على درجة الحرارة T ، مما يعني أن μ عند 300 كلفن لا تزال محدودة بسبب تشتت الشوائب ، وبالتالي يمكن تحسينها بشكل كبير ، ربما حتى تصل إلى 100,000 سم2 V-1 s-1. في الجرافين ، تظل μ مرتفعة حتى عند ارتفاع n (> 1012 cm-2) في كل من الأجهزة المخدرة بالكهرباء والكيمياء ، والتي تُترجم إلى النقل الباليستي على مقياس الميكرومتر الفرعي (حاليًا يصل إلى -0.3 ميكرومتر عند 300 كلفن).
هناك مؤشر آخر على الجودة الإلكترونية القصوى للنظام وهو تأثير القاعة الكمومية (QHE) الذي يمكن ملاحظته (الشكل 5 ج) ، في الجرافين حتى في درجة حرارة الغرفة ، مما يؤدي إلى تمديد نطاق درجة الحرارة السابقة لـ QHE بمعامل 10. تطبيقات الجرافين
الخصائص غير العادية للجرافين الموضحة في القسم السابق مقترنة بما يلي: (XNUMX) الشفافية الضوئية العالية ، (XNUMX) الخمول الكيميائي ، و (XNUMX) التكلفة المنخفضة تجعله قابلاً للتطبيق لوفرة التطبيقات الصناعية. تم تفصيل المقطع العرضي للتطبيقات التي تستفيد من خصائص الجرافين المحددة أدناه.
- الحركة العالية حتى في أعلى التركيزات التي يسببها المجال الإلكتروني تجعل الناقلات تتجه نحو المقذوفات مما يؤدي إلى ظهور جهاز FET باليستي عند 300 كلفن
- نظرًا لتماثلها eh والتشتت الخطي ، فهي مناسبة لتطبيقات الترددات اللاسلكية والترددات العالية مثل أجهزة الكشف عن THz والليزر
- كما أن لها تطبيقاتها في أجهزة الاستشعار الكيميائية والتطبيقات القائمة على النظم الكهروميكانيكية الصغرى
- هناك طريقة أخرى للإلكترونيات القائمة على الجرافين وهي اعتبار الجرافين ورقة موصلة بدلاً من مادة قناة يمكن استخدامها لصنع ترانزستور إلكتروني واحد (SET)
- FETs فائقة التوصيل وإلكترونيات سبينترونكس في درجة حرارة الغرفة
- أقطاب كهربائية شفافة
يعد RF-FET أحد الأجهزة القابلة للتطبيق تجاريًا القائمة على الجرافين ، حيث أن خصائصه مناسبة تمامًا للتطبيقات منخفضة الطاقة / عالية السرعة. أثبتت شركة IBM تصنيعًا ناجحًا لـ RF-FET على رقائق بحجم 2 بوصة باستخدام SiC كركيزة.18 لقد حصلوا على أداء كهربائي فائق عندما كان الجهاز يحقق عائدًا ذاتيًا أفضل للتنقل في القاعة وأنا أعلىD وزm. بالإضافة إلى ذلك ، حصلوا على ft بحد أقصى 170 جيجا هرتز عند أطوال بوابة 90 نانومتر (الشكل 6 أ). حصلت Samsung أيضًا على خصائص جيدة لجهاز RF على رقائق بحجم 6 بوصات19 مع كسب حالي قريب من 200 جيجاهرتز عند 0.24 ميكرومتر (الشكل 6 ب).
بينما تم استخدام مادة عالية k كعزل بوابة في كلتا الحالتين ، يبدو أن h-BN هو خيار أفضل منذ مادته
HAS20 قريبة من الجرافين (الشكل 6 ج). الهيكل عبارة عن تماثل عازل للجرافيت ، مما يعزز حركة جهاز الجرافين. ومع ذلك ، فإن المشكلة الرئيسية التي تحد من أداء هذه الأجهزة هي ضعف مقاومة الاتصال ؛ قيم مقاومة التلامس حاليًا بترتيب كيلو أوم.
ومن التطبيقات الأخرى المحتملة على المدى القريب للجرافين شاشة اللمس الشفافة التي أظهرتها سامسونج.21 باستخدام الأسطوانة ، تم نقل الجرافين المزروع بأمراض القلب والأوعية الدموية عن طريق الضغط على دعامة بوليمر لاصقة ، ثم يتم حفر النحاس بعيدًا ، تاركًا غشاء الجرافين متصلًا بالبوليمر. يمكن بعد ذلك ضغط الجرافين مقابل الركيزة النهائية - مثل البولي إيثيلين تيريفثاليت (PET) - مرة أخرى باستخدام بكرات وبوليمر لاصق تم إطلاقه بالتسخين. يمكن بعد ذلك إضافة طبقات لاحقة من الجرافين بطريقة مماثلة ، مما ينتج عنه غشاء كبير من الجرافين. تمت معالجة الجرافين عن طريق معالجته بحمض النيتريك ، لتوفير قطب كهربائي كبير وشفاف والذي ثبت أنه يعمل في تطبيق جهاز بشاشة تعمل باللمس (الشكل 7). يمكن أن يحل قطب الجرافين هذا محل الأقطاب الكهربائية الشفافة التقليدية المستخدمة في مثل هذه التطبيقات ، والتي يتم تصنيعها حاليًا من أكاسيد موصلة شفافة مثل ITO. ومع ذلك ، فإن قطب الجرافين لديه شفافية أفضل وأكثر صرامة. عادة ما تكون مواد الأكسيد مثل ITO هشة وضعيفة مما يؤدي إلى عمر محدود ؛ من ناحية أخرى ، يجب أن تتمتع الشاشات القائمة على الجرافين بعمر طويل.
حول المؤلف
ياو أوبينج يتمتع بأكثر من 20 عامًا من الريادة التقنية المثبتة في بيئات الشركات وريادة الأعمال والأكاديمية. يشغل حاليًا منصب كبير العلماء في مكتب برامج الإلكترونيات الدقيقة في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) في Gaithersburg ، ميريلاند.
عمل سابقًا مع AT & T / Lucent Technologies / Agere Systems Bell Laboratories و Texas Instruments. كما شارك في تأسيس شركتين مبتدئتين (psiloQuest، Inc. و Nkanea Technologies، Inc.) مكرسة لتطوير مواد جديدة لتصنيع أشباه الموصلات والإلكترونيات الضوئية. وهو مخترع في أكثر من 50 براءة اختراع أمريكية ودولية ، ونشر أكثر من 100 ورقة بحثية في العديد من المنشورات الفنية. يحمل الدكتور أوبنج مناصب أستاذية مساعدة في جامعة كليمسون وجامعة سنترال فلوريدا ، أورلاندو حيث كان يقدم الاستشارات للعديد من طلاب الدراسات العليا. وهو زميل المعهد الأمريكي للكيميائيين. قد يتم الوصول إليه في yaw.obeng@nist.gov.
Purushothaman سرينيفاسان يشغل حاليًا منصب عضو الطاقم الفني في شركة Texas Instruments ، دالاس. وقد شارك في البحث والتطوير لأجهزة CMOS المتقدمة لتطبيقات الطاقة المنخفضة مع التركيز على ضوضاء 1 / f. تشمل أنشطته الحالية تنظيم ندوات عن الجرافين في ECS. وهو أيضًا عضو في اللجنة التنفيذية ورئيس عضوية قسم علوم وتكنولوجيا العوازل في ECS. وهو أيضًا عضو في المجلس الاستشاري الفني في SRC وعضو اتصال في العديد من المشاريع. قبل انضمامه إلى TI ، حصل على درجة الدكتوراه من IMEC و Leuven و NJIT في عام 2007. أمضى صيف عام 2006 كباحث في مركز أبحاث IBM TJ Watson ، يوركتاون هايتس ، نيويورك. حصل على جائزة هاشيموتو لأفضل أطروحة دكتوراه في عام 2007. وهو عضو بارز في IEEE ، وحرر كتابين ، وألف وشارك في تأليف أكثر من 2 منشورًا دوليًا ، ولديه 50 براءات اختراع ، ويعمل أيضًا كمراجع لما لا يقل عن 3 المجلات ، بما في ذلك مجلة الجمعية الكهروكيميائية. قد يتم الوصول إليه في psrinivasan @ تي. كوم.
المصدر spr11_p047-052.pdf