[論文レビュー] Nontrivial temperature behavior of the carrier concentration in the nanostructure "graphene channel on ferroelectric substrate with domain walls"

Anatolii I. Kurchak, Anna N. Morozovska+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2017

Graphene research and applications参考文献 27被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、ドメイン壁を有する鉛ジタンパク質酸化物/グラフェンナノ構造において、非自明な温度依存性のキャリア濃度挙動を明らかにした。温度上昇に伴い、不規則で準混沌的（quasi-chaotic）な電圧特徴を示す二重の反強誘電的（antiferroelectric-like）ヒステリシスループへの遷移が観察された。この現象は、グラフェンキャリアによる強誘電体分極の非線形スクリーニングと、熱的に駆動されるドメイン壁の運動に起因し、チューナブルな p-n 結合の移動を可能にし、次世代のグラフェンベースのモジュレータへの強力な可能性を示唆している。

ABSTRACT

This work explores a nontrivial temperature behavior of the carriers concentration, which governs graphene channel conductance in the nano-structure "graphene channel on ferroelectric substrate" that is a basic element for FETs in non-volatile memory units of new generation. We revealed the transition from a single to double antiferroelectric-like hysteresis loop of the concentration voltage dependence that happens with the temperature increase and then exist in a wide temperature range (from 350 to 500 K). Unexpectedly we revealed the double loops of polarization and concentration can have irregular shape that remains irregular as long as the computation takes place, and the voltage position of the different features (jumps, secondary maxima, etc.) changes from one period to another, leading to the impression of quasi-chaotic behavior. It appeared that these effects originate from the nonlinear screening of ferroelectric polarization by graphene carriers, as well as it is conditioned by the temperature evolution of the domain structure kinetics in ferroelectric substrate. The nonlinearity rules the voltage behavior of polarization screening by graphene 2D-layer and at the same time induces the motion of separated domain walls accompanied by the motion of p-n junction along the graphene channel (2D-analog of Hann effect). Since the domain walls structure, period and kinetics can be controlled by varying the temperature, we concluded that the considered nano-structures based on graphene-on-ferroelectric are promising for the fabrication of new generation of modulators based on the graphene p-n junctions.

研究の動機と目的

• 強誘電体基板にドメイン壁を有するグラフェンチャネルにおけるキャリア濃度の温度依存的挙動を調査すること。
• キャリア濃度-電圧特性に現れる複雑で非単調なヒステリシスの起源を理解すること。
• 非線形スクリーニングとドメイン壁運動の力学が、観察された輸送異常をどのように支配するかを調査すること。
• このようなナノ構造が次世代の非揮発性メモリおよびチューナブルモジュレータに実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• ドメイン壁を有する強誘電体基板上に配置されたグラフェンチャネルにおけるキャリア濃度応答の数値モデリング。
• 温度と電圧を変化させた条件下でのグラフェン内の二次元電子ガスによる分極スクリーニングのシミュレーション。
• ドメイン壁の運動と、グラフェンチャネルに沿った p-n 結合の空間的分布への影響の分析。
• 非線形スクリーニング理論を用いて、二重ヒステリシスループと不規則な電圧特徴の発生を説明。
• ドメイン構造の温度依存的運動の進化と、その電気的応答への影響の調査。
• モデルの妥当性を検証するため、シミュレートされた電圧依存キャリア濃度と実験的類似ヒステリシスループの比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度上昇が、グラフェン/強誘電体ナノ構造におけるキャリア濃度-電圧ヒステリシス挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 温度上昇に伴い、単一のヒステリシスループから二重の反強誘電的（antiferroelectric-like）ヒステリシスループへの遷移が生じる原因は何か？
• RQ3 ジャンプや二次的ピークなどの特徴の電圧位置が、サイクルごとに不規則で準周期的（quasi-periodic）にシフトするのはなぜか？
• RQ4 グラフェンキャリアによる強誘電体分極の非線形スクリーニングが、観察された輸送挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ドメイン壁の運動と p-n 結合の移動を、温度チューニングによってどの程度制御できるか？

主な発見

• 温度上昇に伴い、キャリア濃度において単一から二重の反強誘電的（antiferroelectric-like）ヒステリシスループへの遷移が観察され、広い温度範囲（350–500 K）で持続した。
• 二重ヒステリシスループは不規則な形状を示し、ジャンプや二次的ピークなどの特徴の電圧位置がサイクルごとに変化しており、準混沌的（quasi-chaotic）な挙動を示している。
• 観察された挙動は、2次元グラフェンキャリア層による強誘電体分極の非線形スクリーニングに起因し、これに温度依存のドメイン壁ダイナミクスが結合している。
• ドメイン壁の運動により、2次元版のハン効果（Hann effect）が誘発され、動的スクリーニングに伴い p-n 結合がグラフェンチャネルに沿って移動する。
• 温度依存のドメイン構造の運動のダイナミクスにより、電気的応答に対するチューナブルな制御が可能となり、ナノスケールデバイスの機能性が向上する。
• 本系は、チューナブルでスイッチ可能な輸送特性を示すため、次世代のグラフェン p-n 結合ベースのモジュレータへの応用が強く期待される。