[논문 리뷰] Growth optimization and device integration of narrow-bandgap graphene nanoribbons

Gabriela Borin Barin, Qiang Sun외 27명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 02.

Graphene research and applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 초고진공 조건에서 요오드 기능화된 전구체를 사용하여 5원자 너비의 아치형 그래핀 나노리본(5-AGNRs)의 표면 합성을 최적화하여 평균 리본 길이를 5배로 증가시켰다. 증가된 길이 덕분에 성공적으로 필드효과 트랜지스터에 통합되었으며, 실온에서의 스위칭 행동을 보여주어, 좁은 금역 간극을 가진 AGNR 기반의 첫 번째 장치를 성취하였다.

ABSTRACT

The electronic, optical and magnetic properties of graphene nanoribbons (GNRs) can be engineered by controlling their edge structure and width with atomic precision through bottom-up fabrication based on molecular precursors. This approach offers a unique platform for all-carbon electronic devices but requires careful optimization of the growth conditions to match structural requirements for successful device integration, with GNR length being the most critical parameter. In this work, we study the growth, characterization, and device integration of 5-atom wide armchair GNRs (5-AGNRs), which are expected to have an optimal band gap as active material in switching devices. 5-AGNRs are obtained via on-surface synthesis under ultra-high vacuum conditions from Br- and I-substituted precursors. We show that the use of I-substituted precursors and the optimization of the initial precursor coverage quintupled the average 5-AGNR length. This significant length increase allowed us to integrate 5-AGNRs into devices and to realize the first field-effect transistor based on narrow bandgap AGNRs that shows switching behavior at room temperature. Our study highlights that optimized growth protocols can successfully bridge between the sub-nanometer scale, where atomic precision is needed to control the electronic properties, and the scale of tens of nanometers relevant for successful device integration of GNRs.

연구 동기 및 목표

• 모든 탄소 전자소자에 사용하기 위한 좁은 금역 간극을 가진 그래핀 나노리본(GNRs)의 원자 보정 제어를 달성하기 위해.
• 장치 통합을 방해하는 제한된 GNR 길이 문제를 해결하기 위해 성장 조건을 최적화함으로써.
• 최적의 금역 간극을 가진 5-AGNR 기반 기능성 필드효과 트랜지스터(FETs)의 제작을 가능하게 하기 위해.
• 원자 척도 정밀도의 합성과 장치에 적합한 치수(수십 나노미터) 사이의 격차를 메우기 위해.
• 실온에서의 스위칭 행동을 보이는 GNR 기반 FET의 실현을 통해 실용적 응용을 위한 중요한 이정표를 확립하기 위해.

제안 방법

• 초고진공 조건에서 브로민 및 요오드 기능화된 분자 전구체를 사용한 5-AGNR의 표면 합성.
• 리본 길이와 수율을 최적화하기 위해 초기 전구체 피복 농도를 체계적으로 변화시킴.
• 반응 동역학과 체인 성장 효율을 향상시키기 위해 요오드 기능화 전구체의 사용.
• 원자력 현미경(AFM)과 스캐닝 턨널링 현미경(STM)을 활용한 원자 척도의 구조적 특성 분석.
• 제작된 FET 장치에서 실온에서의 전기적 측정을 통해 스위칭 행동 평가.
• 성장 조건과 리본 길이, 전자적 성질 간의 상관관계를 분석하여 최적의 합성 조건 규명.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 브로민 대비 요오드 기능화 전구체의 종류가 표면 합성에서 5-AGNR의 성장 길이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 최적의 초기 전구체 피복 농도는 리본 길이를 극대화하면서도 구조적 안정성을 유지하는 데 어떤가?
• RQ3 좁은 금역 간극을 가진 5-AGNR를 기능성 필드효과 트랜지스터에 통합하여 실온에서 작동시킬 수 있는가?
• RQ4 성장 최적화가 원자 정밀도와 장치에 적합한 尺도 사이의 격차를 어느 정도 메울 수 있는가?
• RQ5 리본 길이와 GNR 기반 FET의 성공적인 전기적 특성 분석 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 요오드 기능화 전구체의 사용으로 브로민 기능화 전구체 대비 평균 5-AGNR 길이가 5배 증가함.
• 최적화된 전구체 피복 조건으로 리본 길이가 크게 향상되어 장치 통합이 가능해짐.
• 좌굴 금역 간극을 가진 5-AGNR 기반의 첫 번째 필드효과 트랜지스터가 실온에서 명확한 스위칭 행동을 보임.
• 원자 척도의 특성 분석을 통해 원하는 아치형 모서리 구조와 너비를 가진 5-AGNR의 형성이 확인됨.
• 이 연구는 원자 보정 합성과 기능성 장치 작동을 하나의 플랫폼에서 연결하는 데 중요한 이정표를 달성함.
• 결과적으로 최적화된 성장 프로토콜이 서브 나노미터 정밀도에서 전자기기에서 중요한 수십 나노미터 치수까지의 스케일 격차를 성공적으로 메울 수 있음을 입증함.