[論文レビュー] A graphene-based electrochemical switch

T. J. Echtermeyer, Max C. Lemme+4 more|ArXiv.org|Dec 12, 2007

Graphene research and applications被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、準化学计量比の酸化ケイ素誘電体で生成されたH+およびOH−イオンを用いた可逆的電気化学ドーピングにより、6桁以上の変化を示すグラフェンベースの電気的スイッチを提案する。スイッチングは触媒的水解離によって駆動され、短い電流パルスによる局所的アニーリングによって逆転し、非揮発性メモリおよびニューロモーフィックコンピューティングデバイスの道筋を示す。

ABSTRACT

Conventional field effect transistor operation in graphene is limited by its zero gap and minimum quantum conductivity. In this work, we report on controlled electrochemical modification of graphene such that its conductance changes by more than six orders of magnitude, which enables reversible bipolar switching devices. The effect is explained by a chemical reaction of graphene with hydrogen (H+) and hydroxyl (OH-), which are catalytically generated from water molecules in the sub-stochiometric silicon oxide gate dielectric. The reactive species attach to graphene making it nonconductive but the process can subsequently be reversed by short current pulses that cause rapid local annealing. We believe that the demonstrated electrochemical field effect devices are viable candidates for future logic circuits, non-volatile memories and novel neuromorphic processing concepts.

研究の動機と目的

• グラフェンフィールド効果トランジスタにおけるゼロギャップおよび最小量子導電度の制限を克服すること。
• 電気化学的ドーピングを用いて、グラフェンにおける可逆的かつ非揮発的スイッチングメカニズムを開発すること。
• 論理およびメモリ応用向けに、高いオン/オフ比を示す新規な電気化学的フィールド効果デバイスを実証すること。
• 準化学计量比SiOx誘電体が、イオン生成のための水の解離を触媒する役割を果たすメカニズムを調査すること。
• 電流パルスによる局所的熱アニーリングによって、可逆的な導電度スイッチングを実現すること。

提案手法

• 水分子からH+およびOH−イオンを触媒的に生成するため、ゲート誘電体として準化学计量比の酸化ケイ素（SiOx）を用いる。
• H+およびOH−イオンによるグラフェンの電気化学的ドーピングにより、6桁以上の導電度低下を達成する。
• 短い電流パルスを印加して局所的ジュール加熱を誘発し、ドーピングプロセスを逆転させる。
• イオン吸着/脱吸着によるグラフェンの導電度を制御するため、制御された電気化学的電位を適用する。
• グラフェンをチャネルとし、SiOxを誘電体層とするフィールド効果トランジスタの構造を採用する。
• 変化する電気化学的条件およびパルス長さ下での導電度変化を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気化学的ドーピングを用いて、グラフェンの導電度を広いダイナミックレンジで可逆的に制御可能か？
• RQ2 準化学计量比SiOxが、水からH+およびOH−イオンを生成する触媒として果たす役割は何か？
• RQ3 電流パルスによる局所的熱アニーリングが、グラフェンにおける電気化学的ドーピングを効果的に逆転可能か？
• RQ4 グラフェンベースの電気的スイッチで達成可能な最大のオン/オフ導電度比は何か？
• RQ5 このようなデバイスが非揮発性メモリまたはニューロモーフィックコンピューティング素子として機能可能か？

主な発見

• グラフェンベースの電気的スイッチは、6桁以上の導電度変化を示し、高いオン/オフ比を実現した。
• 導電度の低下は、SiOx誘電体界面で生成されたH+およびOH−イオンによる電気化学的ドーピングに起因する。
• 短い電流パルスによる局所的アニーリングによってドーピング状態を逆転させ、元の導電度を回復した。
• スイッチングメカニズムは複数サイクルにわたり安定かつ可逆的であり、非揮発性メモリ応用の可能性を示した。
• 準化学计量比SiOx誘電体は、外部電解質を必要とせず、持続的なイオン生成を可能にする水解離の触媒として機能する。
• 従来の電解質を用いず、グラフェン/SiOx界面における界面電気化学反応に依存して動作する。