[논문 리뷰] Electronic inhomogeneities in graphene: the role of the substrate interaction and chemical doping

Andrés Castellanos-Gómez, Arramel Arramel외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 15.

Graphene research and applications인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 스캐닝 프로브 현미경을 사용하여 기판 상호작용과 화학 도핑으로 인한 그래핀 내 나노스케일 전자 비균질성을 조사한다. 이는 그래핀-실리카 이온화면에서의 이온화된 불순물이 운반자 농도를 크게 변화시켜 장치 간 변동성을 유발함을 입증하며, 수소 화학흡착과 페로포르피린의 물리흡착은 밴드 갭을 열어 그래핀의 전자적 성질을 화학적으로 조작할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We probe the local inhomogeneities of the electronic properties of graphene at the nanoscale using scanning probe microscopy techniques. First, we focus on the study of the electronic inhomogeneities caused by the graphene-substrate interaction in graphene samples exfoliated on silicon oxide. We find that charged impurities, present in the graphene-substrate interface, perturb the carrier density significantly and alter the electronic properties of graphene. This finding helps to understand the observed device-to-device variation typically observed in graphene-based electronic devices. Second, we probe the effect of chemical modification in the electronic properties of graphene, grown by chemical vapour deposition on nickel. We find that both the chemisorption of hydrogen and the physisorption of porphyrin molecules strongly depress the conductance at low bias indicating the opening of a bandgap in graphene, paving the way towards the chemical engineering of the electronic properties of graphene.

연구 동기 및 목표

• 그래핀의 전자적 비균질성의 기원을 이해하여 전자 응용 분야에서의 장치 간 변동성을 설명하는 것.
• 특히 그래핀-실리카 이온면에서의 이온화된 불순물이 국소 전자적 성질에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 수소 화학흡착과 페로포르피린의 물리흡착에 의한 도핑이 그래핀의 전자 구조에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 전자 장치 응용 분야에서 그래핀의 밴드 구조를 화학적으로 조작하는 것이 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 실리카 기판 위에 고정된 에크스포지드 그래핀의 나노스케일 국소 전자적 성질을 맵핑하기 위해 스캐닝 프로브 현미경 기법을 사용하였다.
• 그래핀-기판 인터페이스에서의 이온화된 불순물에 의해 유도된 운반자 농도 변화를 분석하였다.
• 화학기상증착(CVD) 방식으로 제조한 그래핀을 수소 화학흡착과 페로포르피린의 물리흡착을 통해 수정하여 전자적 반응을 탐구하였다.
• 저전압에서의 도전도 측정을 통해 수정된 그래핀에서의 밴드 갭 형성을 탐지하였다.
• 전자적 비균질성과 기판 유도 전하 변동 및 분자 흡착 효과를 연관지어 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀-실리카 이온면에서의 이온화된 불순물이 국소 운반자 농도와 전자적 비균질성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 기판 상호작용이 그래핀 기반 전자 장치에서 관찰되는 변동성에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 수소 화학흡착은 CVD 방식으로 제조한 그래핀의 전자 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 페로포르피린의 물리흡착은 그래핀의 도전도와 밴드 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 화학 도핑을 통해 그래핀에 밴드 갭을 형성시킬 수 있는가?

주요 결과

• 그래핀-실리카 이온면에서의 이온화된 불순물이 국소 운반자 농도를 크게 교란시켜 그래핀 장치의 장치 간 변동성에 기여한다.
• CVD 방식으로 제조한 그래핀에 대한 수소 화학흡착은 저전압에서 도전도를 강하게 저하시켜 밴드 갭 형성을 시사한다.
• 그래핀에 물리흡착된 페로포르피린 분자 역시 저전압 도전도를 억제하여 분자 흡착에 의한 효과적인 밴드 갭 열림을 시사한다.
• 수소화된 그래핀과 페로포르피린으로 수정된 그래핀에서 관측된 도전도 억제 현상은 그래핀의 전자적 성질을 화학적으로 조작할 수 있음을 확인한다.
• 이 연구는 에크스포지드 그래핀에서 기판 유도 불규칙성과 전자적 비균질성 사이의 직접적 연관성을 확립하여 장치 성능의 일관성 없는 특성에 대한 원인을 설명한다.