[論文レビュー] Controlling the macroscopic electrical properties of reduced graphene oxide by nanoscale writing of electronic channels

Arijit Kayal, G Harikrishnan+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2020

Graphene research and applications参考文献 70被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、走査プローブプローブを用いた還元によって、絶縁性の還元グラフェン酸化物（rGO）中にナノスケールで導電性のsp²豊富なグラフェンチャネルを形成することを示した。印加バイアスおよび環境湿度を調整することで、還元度、バンドギャップのチューニング、およびマクロスケールの電気的特性を精密に制御可能であり、温度およびバイアス依存の電導度測定および表面ポテンショメトリーにより、電子状態に応じて変動範囲ホッピングまたはトンネル効果が支配的であることが確認された。

ABSTRACT

The allure of all carbon electronics stems from the spread in physical properties, across all its allotropes. The scheme also harbours unique challenges, like tunability of band-gap, variability of doping and defect control. Here, we explore the technique of scanning probe tip induced nanoscale reduction of graphene oxide (GO), which nucleates conducting, sp2 rich graphitic regions on the insulating GO background. Flexibility of direct writing is supplemented with control over degree of reduction and tunability of bandgap, through macroscopic control parameters. The fabricated reduced - GO channels and ensuing devices are investigated via spectroscopic, and temperature and bias dependent electrical transport and correlated with spatially resolved electronic properties, using surface potentiometry. Presence of carrier localization effects, induced by the phase-separated sp2/sp3 domains, and large local electric field fluctuations are reflected in the non-linear transport across the channels. Together the results indicate a complex transport phenomena which may be variously dominated by tunnelling, variable range hopping or activated depending on the electronic state of the material.

研究の動機と目的

• 導電性原子間力顕微鏡（C-AFM）を用いた局所的でプローブ誘起還元により、還元グラフェン酸化物（rGO）におけるマクロスケールの電気的特性を制御可能な方法の開発。
• 特に印加バイアスおよび環境湿度といった外部パラメータが還元度およびそれによる電子的特性に与える影響の調査。
• 表面ポテンショメトリーを用いた空間的に分解能の高い電子構造と電気的輸送の相関関係を用いて、rGOにおける電荷輸送メカニズムの特定。
• rGOにおける輸送が、電子状態および不純物密度に応じて熱的に励起されるプロセス、変動範囲ホッピング（VRH）、またはトンネル効果によって支配されるかどうかの特定。
• マクロスケールの電気的挙動と、キャリア局在や電場フラクチュエーションを含むナノスケールの電子的不均一性との直接的な関連の確立。

提案手法

• C-AFMを用いて、プローブに負のバイアスを印加することで、グラフェン酸化物（GO）中にナノスケールの導電性チャネルを形成する。
• 表面ポテンショメトリーを用いて、表面電位の空間的分布をマッピングし、局所的な電子的不均一性およびキャリア局在と相関付ける。
• 温度およびバイアス依存の電流-電圧（I-V）特性を測定し、熱的に励起される輸送および2次元変動範囲ホッピング（VRH）を含む輸送メカニズムを特定する。
• Mott-VRHモデル（𝐺𝑠 ∝ exp[−(𝑇₀/𝑇)¹ᐟ³]）および熱的に励起されるモデル（𝐺𝑠 ∝ exp[−𝐸𝑎/𝑘𝐵𝑇]）を用いて、シート電導度（𝐺𝑠）の温度依存性を分析し、輸送領域を区別する。
• 還元バイアスおよび相対湿度を体系的に変化させ、ジャンクション電流および還元効率への影響を定量的に評価し、電流および電導度マップを用いてデータを収集する。
• 実験データへのフィットから、ホッピングパラメータ 𝑇₀ および活性化エネルギー 𝐸𝑎 を抽出するモデルを適用し、rGOの電子状態を特徴付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 C-AFMを用いたナノスケールの書き込みにおける印加バイアスの大きさが、rGOにおける還元度およびそれによるマクロスケールの導電性にどのように影響するか？
• RQ2 環境湿度が、GOのプローブ誘起還元の効率および結果にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 還元度および不純物密度に応じて、rGOチャネルにおける電荷輸送メカニズムが熱的に励起される輸送、Mott-VRH、またはEfros-Shklovskii-VRHのいずれが支配的になるか？
• RQ4 表面電位および局所的電場の空間的変動が、非線形I-V特性およびrGOにおけるキャリア局在とどのように相関するか？
• RQ5 ナノスケールの書き込みによりrGOのバンドギャップを制御的にチューニング可能か？また、このチューニングはsp²ドメインのサイズおよび連結性とどのように関係するか？

主な発見

• 相対湿度が20%から80%に上昇した際、ジャンクション電流（𝐼𝑗）は約10³倍に増加し、還元プロセスが環境に強く依存することを示した。
• 還元バイアスを低から高に変化させることで、平均的なジャンクション電流は約10⁶倍に増加し、印加電圧による導電性の高いチューナビリティを示した。
• 高抵抗rGOデバイス（𝑅 ~ 300 kΩ）では、温度依存電導度が活性化エネルギー 𝐸𝑎 ≈ 160 meV の熱的に励起されるモデルに従い、バンド状態輸送を示した。
• 低抵抗rGOデバイス（𝑅 ~ 50 kΩ）では、電導度が2次元Mott-VRHモデルに従い、指数部が1/3であることを示し、不純物が多い系において変動範囲ホッピングが支配的であることを示した。
• 非線形I-V特性および大きな局所的電場フラクチュエーションが観察され、強いキャリア局在および相分離したsp²/sp³ドメインに起因する複雑な輸送挙動が示された。
• 低温域における2次元Mott-VRHモデルからの逸脱は、電場駆動ホッピング（例：Efros-Shklovskii VRH）への遷移を示唆し、電場が輸送を調整する役割を果たすことを強調した。