[論文レビュー] Growth optimization and device integration of narrow-bandgap graphene nanoribbons

Gabriela Borin Barin, Qiang Sun+27 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、超高真空下でヨウ素置換前駆体を用いた表面反応により、5原子幅のアームチェア型グラフェンナノリボン（5-AGNRs）の合成を最適化し、平均リボン長を5倍に向上させた。延長されたリボン長のおかげで、フィールド効果トランジスタへの統合に成功し、室温でのスイッチング動作を示した。これは、狭帯域ギャップを持つAGNRsを用いた初のこのようなデバイスである。

ABSTRACT

The electronic, optical and magnetic properties of graphene nanoribbons (GNRs) can be engineered by controlling their edge structure and width with atomic precision through bottom-up fabrication based on molecular precursors. This approach offers a unique platform for all-carbon electronic devices but requires careful optimization of the growth conditions to match structural requirements for successful device integration, with GNR length being the most critical parameter. In this work, we study the growth, characterization, and device integration of 5-atom wide armchair GNRs (5-AGNRs), which are expected to have an optimal band gap as active material in switching devices. 5-AGNRs are obtained via on-surface synthesis under ultra-high vacuum conditions from Br- and I-substituted precursors. We show that the use of I-substituted precursors and the optimization of the initial precursor coverage quintupled the average 5-AGNR length. This significant length increase allowed us to integrate 5-AGNRs into devices and to realize the first field-effect transistor based on narrow bandgap AGNRs that shows switching behavior at room temperature. Our study highlights that optimized growth protocols can successfully bridge between the sub-nanometer scale, where atomic precision is needed to control the electronic properties, and the scale of tens of nanometers relevant for successful device integration of GNRs.

研究の動機と目的

• 全カーボンエレクトロニクス素子に用いるため、狭帯域ギャップを持つグラフェンナノリボン（GNRs）の原子レベルの精密制御を達成すること。
• デバイス統合を阻害するGNRsの長さ制限という課題を、成長パラメータの最適化により克服すること。
• 最適なバンドギャップを持つ5-AGNRsに基づく機能的フィールド効果トランジスタ（FET）の作製を可能にすること。
• 原子スケールでの精密合成とデバイスに必要な寸法（数十ナノメートル）との間のギャップを埋めること。
• GNRsベースのFETで室温でのスイッチング動作を実証すること。これは実用的応用にとっての重要なマイルストーンである。

提案手法

• 超高真空条件下でブロミンおよびヨウ素置換分子前駆体を用いた5-AGNRsの表面合成。
• 初期前駆体被覆量の系統的変動により、リボン長および収率の最適化を試みた。
• 反応動力学および鎖状成長効率の向上を目的に、ヨウ素置換前駆体の使用。
• 原子間力顕微鏡（AFM）および走査トンネル顕微鏡（STM）を用いた原子スケールでの構造的特徴化。
• 作製されたFETデバイスにおける電気的測定により、室温でのスイッチング動作を評価。
• 成長パラメータとリボン長および電子的性質の相関関係を分析し、最適な合成条件を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前駆体種別（Br対I）が、表面合成における5-AGNRsの成長長にどのように影響を与えるか？
• RQ2 構造的整合性を維持したまま5-AGNRsの長さを最大限に高めるために最適な初期前駆体被覆量は何か？
• RQ3 狭帯域ギャップを持つ5-AGNRsを、室温で動作する機能的フィールド効果トランジスタに統合できるか？
• RQ4 成長最適化によって、原子精度とデバイスに必要な寸法との間のスケールギャップをどの程度埋められるか？
• RQ5 リボン長とGNRsベースFETの成功した電気的特徴化との間にどのような関係があるか？

主な発見

• ヨウ素置換前駆体の使用により、臭素置換前駆体と比較して、平均5-AGNR長が5倍に向上した。
• 最適化された前駆体被覆量のおかげで、リボン長が顕著に向上し、デバイス統合が可能になった。
• 狭帯域ギャップを持つ5-AGNRsを用いた初のフィールド効果トランジスタが、室温で明確なスイッチング動作を示した。
• 原子スケールの特徴化により、所望のアームチェア端末構造および幅を持つ5-AGNRsの形成が確認された。
• 本研究では、原子精度の合成と機能的デバイス動作を1つのプラットフォームで結びつけるという重要なマイルストーンを達成した。
• 結果から、最適化された成長プロトコルが、サブナノメートルの精度からエレクトロニクスに必要な数十ナノメートルのスケールにまで成功してスケールギャップを埋められることを示した。