[논문 리뷰] Atomically thin boron nitride: a tunnelling barrier for graphene devices

L. Britnell, Roman Gorbachev외 13명|RepositóriUM (Universidade do Minho)|2012. 02. 03.

Graphene research and applications참고 문헌 17인용 수 463

한 줄 요약

이 논문은 원자 두께의 헥세고날 붕소질화물(h-BN) 단일층이 그래핀 기반 이종구조에서 극도로 균일하고 결함이 없는 터널 장벽으로 기능함을 보여준다. h-BN 두께가 증가함에 따라 터널 전도도가 지수적으로 감소하며, 이는 단일층 수준까지 전자 이동을 정밀하게 제어할 수 있음을 의미한다. 높은 균일성과 높은 파손 전계를 갖추고 있어, 터널 장치 및 고밀도 필드효과 트랜지스터에 이상적이다.

ABSTRACT

We investigate the electronic properties of heterostructures based on ultrathin hexagonal boron nitride (h-BN) crystalline layers sandwiched between two layers of graphene as well as other conducting materials (graphite, gold). The tunnel conductance depends exponentially on the number of h-BN atomic layers, down to a monolayer thickness. Exponential behaviour of I-V characteristics for graphene/BN/graphene and graphite/BN/graphite devices is determined mainly by the changes in the density of states with bias voltage in the electrodes. Conductive atomic force microscopy scans across h-BN terraces of different thickness reveal a high level of uniformity in the tunnel current. Our results demonstrate that atomically thin h-BN acts as a defect-free dielectric with a high breakdown field; it offers great potential for applications in tunnel devices and in field-effect transistors with a high carrier density in the conducting channel.

연구 동기 및 목표

• 그래핀/h-BN/그래핀 및 그래핀/흑연/h-BN/흑연 이종구조의 전자적 성질을 터널 장치로 연구하는 것.
• h-BN 두께와 밀도 상태의 영향이 터널 전도도를 어떻게 조절하는지 규명하는 것.
• 2차원 반데르발스 이종구조에서 초박막 h-BN가 유전체 장벽으로서의 균일성과 파손 강도를 평가하는 것.
• 고운자 밀도를 가진 고성능 터널 장치 및 필드효과 트랜지스터에서 h-BN의 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 기계적 분리 기법을 사용해 그래핀, 흑연, 또는 금속을 초박막 헥세고날 붕소질화물(h-BN) 층과 적층하여 반데르발스 이종구조를 제작하는 것.
• 그래핀/BN/그래핀 및 흑연/BN/흑연 장치에서 전류-전압(I-V) 특성을 측정하여 터널 거동을 분석하는 것.
• 다양한 두께의 h-BN 테라스에서 도전성 원자력현미경(CAFM) 스캔을 수행해 터널 전류 균일성을 맵핑하는 것.
• h-BN 층 수에 따른 터널 전도도의 의존도를 분석하여 두께 증가에 따라 지수 감쇠가 일어남을 보여주는 것.
• 전극의 전압 의존적 밀도 상태(DOS) 모델링을 통해 I-V 특성의 기원을 설명하는 것.
• 전기적 측정 및 미세형태 분석을 통해 파손 전계 강도와 결함 밀도를 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀/h-BN/그래핀 이종구조에서의 터널 전도도는 h-BN 원자층 수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 전극의 밀도 상태가 h-BN 터널 장치의 I-V 특성에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 도전성 원자력현미경으로 측정한 h-BN 테라스의 다양한 두께에서 터널 전류는 얼마나 균일한가?
• RQ4 원자 두께의 h-BN는 어떤 파손 전계 강도를 가지며, 기존 유전체와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ5 h-BN는 고운자 밀도를 가진 터널 장치 및 필드효과 트랜지스터에서 고품질의 결함이 없는 유전체로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 그래핀/BN/그래핀 및 흑연/BN/흑연 장치에서 터널 전도도는 h-BN 층 수가 증가함에 따라 지수적으로 감소하며, 단일층까지 감소함을 확인하였다.
• 도전성 원자력현미경 분석을 통해 다양한 두께의 h-BN 테라스에서 터널 전류가 높은 공간적 균일성을 보이며, 결함이 극히 적음을 시사한다.
• 지수적 I-V 거동은 주로 그래핀 및 흑연 전극의 전압 의존적 밀도 상태에 의해 주로 결정된다.
• 원자 두께의 h-BN는 높은 파손 전계를 나타내어 나노스케일 장치에서 안정적인 유전체로 기능함을 확인하였다.
• 결과적으로 h-BN는 결함이 없는 유전체로서 뛰어난 균일성과 안정성을 지니며, 고성능 터널 장치 및 필드효과 트랜지스터에 적합함을 입증하였다.