[논문 리뷰] Electron Transport Properties of Graphene-Graphyne-Graphene Transistors: First Principles Study

Young In Jhon, Myung S. Jhon|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 16.

Graphene research and applications인용 수 3

한 줄 요약

이 제1원리 연구는 그래핀–그래파인–그래핀 필드효과트anz이터(FET)를 조사하여, 그래핀과 그래파인 사이의 격자 매칭된 인터페이스를 통한 강력한 전자 이동성의 가능성을 입증한다. 장치들은 10²–10³의 ON/OFF 비율을 나타내며, 작은 8.5 Å 크기의 그래파인에서 최소 650의 비율과 0.8 eV의 전송 갭을 보이며, 고성능 분자 척도 통합 회로에 큰 잠재력을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노전자소자 응용을 위한 그래핀–그래파인–그래핀 이종구조에서의 전자 이동성 거동을 탐구하기 위해.
• 그래파인 크기와 탄소 체인 길이가 장치 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 이러한 이종구조가 고성능 원자층 두께의 필드효과트랜지스터로서 실현 가능성을 평가하기 위해.
• 붕소질화갈륨(BN) 유사체와 비교하여 탄소 기반 그래파인 FET의 전송 특성을 분석하기 위해.

제안 방법

• 전자 구조 및 전송 계산을 위해 비평형 그린 함수(NEGF) 형식과 밀도함수이론(DFT)을 결합한 방법을 사용하였다.
• 격자 매칭된 상호면 안정성을 확보하기 위해 주기적 경계 조건을 적용하여 그래핀–그래파인–그래핀 이종구조를 모델링하였다.
• 도전도 및 스위칭 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해 그래파인 격자 세포 크기와 탄소 체인 길이를 체계적으로 변화시켰다.
• FET 성능 평가를 위해 적용된 게이트 편압 하에서 전송 스펙트럼과 전류-전압(I-V) 특성을 계산하였다.
• 스위칭 거동의 기원을 이해하기 위해 밴드 구조와 전송 갭을 분석하였다.
• 물질에 따른 경향성을 평가하기 위해 탄소 기반 그래파인과 BN 기반 유사체의 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래파인 격자 세포 크기가 그래핀–그래파인–그래핀 FET의 전자 이동성과 스위칭 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 탄소 체인 길이가 이러한 이종구조의 ON/OFF 비율과 전송 갭을 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 작은 그래파인 크기(예: 8.5 Å)가 여전히 높은 성능을 갖는 효과적인 필드효과트랜지스터 거동을 지원할 수 있는가?
• RQ4 유사한 구조적 변형 조건에서 그래파인 기반 FET의 전송 특성은 BN 기반 유사체와 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 이 2차원 이종구조에서 관측된 전송 갭과 스위칭 거동의 본질적인 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 그래핀–그래파인–그래핀 FET는 10²에서 10³의 ON/OFF 비율을 나타내며, 그래파인 크기가 8.5 Å일 경우 최소 650의 비율을 기록한다.
• ON/OFF 비율은 그래파인 크기 증가와 더 긴 탄소 체인 길이와 함께 증가하여 스위칭 성능의 조절 가능성을 시사한다.
• 8.5 Å 그래파인 크기에서 0.8 eV의 전송 에너지 갭이 관측되어 스위칭 功能을 위한 명확한 밴드 갭이 있음을 확인한다.
• 연구된 가장 작은 그래파인 크기에서도 장치는 뛰어난 FET 특성을 유지하여 분자 척도 통합에 실현 가능성을 보여준다.
• BN 기반 유사체는 유사한 추세를 보였지만, 탄소 기반 그래파인 FET보다 짧은 체인 길이에서 더 높은 ON/OFF 비율을 달성한다.
• 그래핀과 그래파인 사이의 격자 매칭된 인터페이스는 효율적인 전하 이동과 구조적 안정성을 제공하여 강력한 장치 작동을 지원한다.