[論文レビュー] Electron Transport Properties of Graphene-Graphyne-Graphene Transistors: First Principles Study

Young In Jhon, Myung S. Jhon|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Graphene research and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究は第一原理的アプローチを用いて、グラフェン–グラファイン–グラフェン場効果トランジスタ（FET）を調査し、グラフェンとグラファインの間の格子整合性を持つ界面を通じて、強固な電子輸送を実証した。デバイスは10²～10³のON/OFF比を示し、小さな8.5 Åのグラファインサイズでは最小で650の値を示し、0.8 eVの透過ギャップを示しており、高性能で分子スケールの統合回路への強い可能性を示している。

ABSTRACT

A novel nanoelectronic device is constructed by graphyne that is robustly connected between graphene electrodes, where graphyne is composed of hexagonal carbon rings and carbon chains. Owing to similarities between the bond lengths and unit cell shapes of graphene and graphyne, they have perfectly matched interfacial structure at periodic locations, enabling the facilitated charge transfer and heterostructural stability. Using a combined nonequilibrium Green's function and density functional theory formalism, we have systematically investigated the electron transport properties of graphene-graphyne-graphene field effect transistors (FETs) by varying the graphyne size and the carbon chain length. These devices exhibit excellent switching behaviors with ON/OFF ratios on the order of 10^2-10^3. The ON/OFF ratio increases as either of the graphyne size or the carbon chain length increases. Noticeably, these devices sustain good FET features even at the small graphyne size of 8.5 A, yielding ON/OFF ratio of 650 and transmission energy gap of 0.8 eV, which suggests their potential applications for fabricating highly-integrated circuits at the level comparable to molecular devices. Their boron-nitrides analogues show similar qualitative behaviors for the changes of the graphyne size and bias voltage, but they show higher ON/OFF ratios for the smaller chain length in contrast to graphyne TFTs.

研究の動機と目的

• ナノエレクトロニクス用途を想定し、グラフェン–グラファイン–グラフェンヘテロ構造内の電子輸送挙動を調査すること。
• グラファインのサイズと炭素鎖長がデバイス性能に与える影響を分析すること。
• これらのヘテロ構造が高性能で原子層程度の厚さの場効果トランジスタとして実現可能かどうかを評価すること。
• ボロン窒化物（BN）に類似した材料との比較を通じて、炭素系グラファインFETの輸送特性を評価すること。

提案手法

• 電子構造および輸送計算に、非平衡グリーン関数（NEGF）形式と密度汎関数理論（DFT）を組み合わせた手法を採用した。
• 格子整合性のある界面安定性を確保するため、周期的境界条件を用いてグラフェン–グラファイン–グラフェンヘテロ構造をモデル化した。
• 導電度およびスイッチング挙動への影響を評価するため、グラファインの単位格子サイズと炭素鎖長を体系的に変化させた。
• FET性能の評価のために、外部ゲートバイアス下での透過スペクトルおよび電流–電圧（I-V）特性を計算した。
• スイッチング挙動の起源を理解するため、バンド構造および透過ギャップを分析した。
• 材料依存の傾向を評価するため、炭素系グラファインとBN系アナログの結果を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイン単位格子サイズの変化が、グラフェン–グラファイン–グラフェンFETの電子輸送およびスイッチング性能にどのように影響を与えるか？
• RQ2 炭素鎖長が、これらのヘテロ構造のON/OFF比および透過ギャップをどのように調整するか？
• RQ3 小さなグラファインサイズ（例：8.5 Å）であっても、高い性能を示す有効な場効果トランジスタ行動を維持できるか？
• RQ4 構造的変化が同様に適用された場合、グラファインベースFETの輸送特性はBNアナログと比べてどう異なるか？
• RQ5 2次元ヘテロ構造において観察された透過ギャップおよびスイッチング挙動の本質的起源は何か？

主な発見

• グラフェン–グラファイン–グラフェンFETは、10²～10³のON/OFF比を示し、グラファインサイズが8.5 Åのとき最小で650の値を示した。
• ON/OFF比は、グラファインサイズの増加および炭素鎖の延長に伴い上昇し、スイッチング性能のチューナブル性が示された。
• 8.5 Åのグラファインサイズでは0.8 eVの透過エネルギーギャップが観測され、明確なバンドギャップがスイッチング機能に寄与していることが確認された。
• 最小のグラファインサイズでもデバイスは優れたFET特性を維持しており、分子スケール統合への実現可能性が示唆された。
• BN系アナログでは類似した定性的な傾向を示したが、炭素系グラファインFETと比較して、より短い鎖長で高いON/OFF比を達成した。
• グラフェンとグラファインの間の格子整合性を持つ界面は、効率的な電荷移動と構造的安定性を実現し、強固なデバイス動作を支援した。