[논문 리뷰] Realization of graphene logics in an exciton-enhanced insulating phase

Kaining Yang, Xiang Gao외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 06.

Graphene research and applications참고 문헌 37인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 반자성 절연체 CrOCl과의 접합을 통해 이중층 그래핀에서 강력한 준위상 절연체 상태를 입증하였으며, 'on' 상태에서 높은 이동도를 유지하면서 제어 가능한 밴드 갭을 구현하였다. 시스템은 10⁷를 초과하는 ON-OFF 비율을 달성하고 기능성 CMOS 유사 그래핀 인버터를 실현하여 탄소 기반 논리 계산으로의 중요한 전진을 이룩하였다.

ABSTRACT

For two decades, two-dimensional carbon species, including graphene, have been the core of research in pursuing next-generation logic applications beyond the silicon technology. Yet the opening of a gap in a controllable range of doping, whilst keeping high conductance outside of this gapped state, has remained a grand challenge in them thus far. Here we show that, by bringing Bernal-stacked bilayer graphene in contact with an anti-ferromagnetic insulator CrOCl, a strong insulating behavior is observed in a wide range of positive total electron doping $n_\mathrm{tot}$ and effective displacement field $D_\mathrm{eff}$ at low temperatures. Transport measurements further prove that such an insulating phase can be well described by the picture of an inter-layer excitonic state in bilayer graphene owing to electron-hole interactions. The consequential over 1 $\mathrm{GΩ}$ excitonic insulator can be readily killed by tuning $D_\mathrm{eff}$ and/or $n_\mathrm{tot}$, and the system recovers to a high mobility graphene with a sheet resistance of less than 100 $\mathrmΩ$. It thus yields transistors with "ON-OFF" ratios reaching 10$^{7}$, and a CMOS-like graphene logic inverter is demonstrated. Our findings of the robust insulating phase in bilayer graphene may be a leap forward to fertilize the future carbon computing.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태에서 높은 이동도를 유지하면서 제어 가능하고 넓은 범위의 밴드 갭을 확보하는 데 있어 근본적인 과제를 해결하기 위해.
• CrOCl에 인접함으로써 강한 전자-정공 상호작용이 유도되는 것을 통해 이중층 그래핀에서 안정적이고 조절 가능한 준위상 절연체 상태를 실현하기 위해.
• 금속성과 절연성 상태 사이의 급격한 전이를 활용하여 기능성 그래핀 기반 논리 장치, 특히 CMOS 유사 인버터를 실현하기 위해.
• 2차원 반데르발스 이종구조에서 준위상 상호작용을 이용하여 탄소 기반 전자공학의 새로운 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 기계적 분리 및 반데르발스 조립 기법을 사용하여 h-BN/BLG/CrOCl 이종구조를 제작하였다.
• 1.5 K에서 이중 게이트 필드효과 측정을 수행하여 총 전자 도핑(n_tot)과 효과적 이완 전계(D_eff)를 조절함으로써 절연상태를 제어하였다.
• D_eff–n_tot 매개변수 공간에서 전기적 운반자 성질을 맵핑하기 위해 AC 락인 및 DC 옹미터 기법을 사용하였다.
• 랜드외 수준의 양자화 분석과 이론 모델링을 적용하여 효과적 질량(m* ≈ 0.037mₑ)과 쿠론 상호작용 매개변수를 추출하였다.
• 층 간 준위상 응집을 포함한 이론 모델을 개발하였으며, 화학적 위치(μ), 전하 밀도(n_I), 그리고 커패시턴스(C_0, C_eff)를 포함하였다.
• 게이트 전압(V₁, V₂)과 화학적 위치 및 효과적 전계를 연결하는 핵심 방정식(e.g., Eq. 8)을 유도하여 관측된 상 경계와 내재 전계 증폭 현상을 설명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기적 절연체와의 인접성에 의해 이중층 그래핀에서 준위상 절연체 상태가 안정화될 수 있는가?
• RQ2 결과로 나타나는 절연 상태는 높은 운반자 이동도를 유지하면서 넓은 범위의 조절 가능한 밴드 갭을 갖는가?
• RQ3 금속성과 절연성 상태 사이의 전이를 이용하여 그래핀 트랜지스터에서 높은 ON-OFF 비율을 달성할 수 있는가?
• RQ4 층 간 쿠론 상호작용과 전자-정공 쌍 형성이 관찰된 준위상 절연체 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이종구조 내의 내재 전계가 전통적인 전기적 게이팅을 초월하여 효과적 밴드 갭을 얼마나 증폭시킬 수 있는가?

주요 결과

• 1.5 K에서 양의 n_tot 및 D_eff 범위 전반에 걸쳐 1 GΩ를 초과하는 저항을 보이는 강력한 준위상 절연체 상태가 관측되었다.
• 운반자 성질 측정과 랑드외 수준의 양자화 분석을 통해 이는 층 간 준위상 응집에 기인한 것으로 확인되었다.
• D_eff 또는 n_tot를 조절함으로써 절연 상태에서 고이동도 금속 상태로의 급격한 전이가 관측되어 ON-OFF 비율이 10⁷를 초과하는 결과를 얻었다.
• 사이클로트론 공명 분 析를 통해 이중층 그래핀 내 운반자 효과적 질량을 m* ≈ 0.037mₑ로 추정하였다.
• 게이트 전압 의존성으로부터 약 10 V/nm의 내재 전계가 유도되었으며, 이는 전통적인 유전체 한계를 훨씬 초월하였다.
• 기능성 CMOS 유사 그래핀 인버터가 실험적으로 실현되었으며, 그래핀 기반 논리 회로의 실현 가능성은 검증되었다.