[論文レビュー] Room-temperature electric field effect and carrier-type inversion in graphene films

Kostya S. Novoselov, A. K. Geim+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2004

Graphene research and applications参考文献 11被引用数 49

ひとこと要約

この論文は、剥離グラフェン膜における室温での頑健な電界効果を示しており、ゲート電圧によって電子とホールのキャリア型を逆転可能にしている。高移動度で連続的かつマクロスケールのグラフェン膜は、サブミクロンスケールでボールティック輸送を示し、環境条件下で電子的特性をチューニング可能な2次元材料としてグラフェンの可能性を確立している。

ABSTRACT

The ability to control electronic properties of a material by externally applied voltage is at the heart of modern electronics. In many cases, it is the so-called electric field effect that allows one to vary the carrier concentration in a semiconductor device and, consequently, change an electric current through it. As the semiconductor industry is nearing the limits of performance improvements for the current technologies dominated by silicon, there is a constant search for new, non-traditional materials whose properties can be controlled by electric field. Most notable examples of such materials developed recently are organic conductors [1], oxides near a superconducting or magnetic phase transition [2] and carbon nanotubes [3-5]. Here, we describe another system of this kind - thin monocrystalline films of graphite - which exhibits a pronounced electric field effect, such that carriers in the conductive channel can be turned into either electrons or holes. The films remain metallic, continuous and of high quality down to a few atomic layers in thickness. The demonstrated ease of preparing such films of nearly macroscopic sizes and of their processing by standard microfabrication techniques, combined with submicron-scale ballistic transport even at room temperature, offer a new two-dimensional system controllable by electric-field doping and provide a realistic promise of device applications.

研究の動機と目的

• 少数層グラフェン膜における室温での電界効果を調査すること。
• ゲート電圧を用いたキャリア型の逆転（n型からp型、またはその逆）の可能性を検討すること。
• ナノエレクトロニクス応用のためのグラフェン膜の品質および輸送特性を評価すること。
• 標準的なマイクロファブリケーション技術によるグラフェン膜のスケーラビリティおよびプロセス性を評価すること。
• 環境条件下で高機能輸送を示すフィールド効果デバイスのための実用的2次元プラットフォームとしてグラフェンを確立すること。

提案手法

• 剥離されたグラフェン膜を機械的移動によりSiO2/Si基板上に転写し、バックゲート型フィールド効果デバイスを形成した。
• Si基板を介してゲート電圧を印加し、グラフェンチャネル内のキャリア密度を調整した。
• 電気的輸送測定を室温で実施し、フィールド効果の挙動を特徴付けた。
• ゲート電圧の極性を変更することで、キャリア型（電子またはホール）を可逆的に切り替えることができた。
• サブミクロンスケールのデバイスで高移動度のボールティック輸送が観察され、材料の高品質を示した。
• 標準的なフィールド効果トランジスタ（FET）ジオメトリを用い、トップゲートまたはバックゲート構成で系を特徴付けた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温におけるグラフェン膜で顕著な電界効果が観察可能か？
• RQ2 ゲート電圧を用いてキャリア型の逆転（n型からp型、またはその逆）が可能か？
• RQ3 室温下でのグラフェンのキャリア移動度および輸送挙動は、従来の半導体と比較してどのように異なるか？
• RQ4 標準的なマイクロファブリケーション技術を用いてグラフェン膜を処理する際、高品質な電子的特性をどの程度維持できるか？
• RQ5 グラフェンベースのフィールド効果デバイスのスケーラビリティおよびマクロスケールでの実現可能性はいかほどか？

主な発見

• 室温でのグラフェン膜において強い電界効果が観察され、ゲート電圧による電導度の明確な変調が確認された。
• ゲート電圧の極性を調整することで、キャリア型の逆転（電子からホール、またはその逆）を可逆的に実現し、二重キャリア輸送の確認が得られた。
• グラフェン膜は、数原子層にまで薄くしても高移動度と連続的な金属的挙動を示した。
• サブミクロンスケールのデバイスでは、室温下でボールティック輸送が観察され、材料の高品質さと低散乱性を示した。
• 膜はマクロスケールであり、標準的なマイクロファブリケーション技術に適しており、実用的なデバイス統合が可能であった。
• 本結果は、環境条件下で電子的特性をチューニング可能なフィールド効果デバイスとして、グラフェンが実用的2次元材料プラットフォームであることを示している。