[论文解读] A graphene-based electrochemical switch

T. J. Echtermeyer, Max C. Lemme+4 more|ArXiv.org|Dec 12, 2007

Graphene research and applications被引用 10

一句话总结

本文提出了一种基于石墨烯的电化学开关，通过在非化学计量比的二氧化硅电介质界面处生成的H+和OH−离子实现可逆电化学掺杂，使电导率变化超过六个数量级。该开关通过催化水分解实现，而通过短电流脉冲诱导局部退火可实现反向操作，为非易失性存储器和类脑计算器件提供了新途径。

ABSTRACT

Conventional field effect transistor operation in graphene is limited by its zero gap and minimum quantum conductivity. In this work, we report on controlled electrochemical modification of graphene such that its conductance changes by more than six orders of magnitude, which enables reversible bipolar switching devices. The effect is explained by a chemical reaction of graphene with hydrogen (H+) and hydroxyl (OH-), which are catalytically generated from water molecules in the sub-stochiometric silicon oxide gate dielectric. The reactive species attach to graphene making it nonconductive but the process can subsequently be reversed by short current pulses that cause rapid local annealing. We believe that the demonstrated electrochemical field effect devices are viable candidates for future logic circuits, non-volatile memories and novel neuromorphic processing concepts.

研究动机与目标

• 解决石墨烯场效应晶体管中零带隙和最小量子电导率的局限性。
• 开发一种基于电化学掺杂的可逆、非易失性石墨烯开关机制。
• 展示一种新型电化学场效应器件，具有高开/关比，适用于逻辑和存储应用。
• 探究非化学计量比SiOx电介质在催化水分解以生成离子过程中的作用。
• 通过电流脉冲诱导的局部热退火实现可逆电导率开关。

提出的方法

• 利用非化学计量比的二氧化硅（SiOx）作为栅极电介质，催化从水分子中生成H+和OH−离子。
• 通过H+和OH−离子对石墨烯进行电化学掺杂，导致电导率下降超过六个数量级。
• 施加短电流脉冲以诱导局部焦耳加热，从而逆转掺杂过程。
• 利用受控的电化学电位调节石墨烯电导率，通过离子吸附/脱附实现。
• 采用场效应晶体管结构，以石墨烯作为沟道，SiOx作为电介质层。
• 测量在不同电化学条件和脉冲持续时间下的电导率变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过电化学掺杂在宽动态范围内可逆调节石墨烯的电导率？
• RQ2 非化学计量比的SiOx在催化从水中生成H+和OH−离子的过程中起什么作用？
• RQ3 通过电流脉冲诱导的局部热退火能否有效逆转石墨烯中的电化学掺杂？
• RQ4 基于石墨烯的电化学开关可实现的最大开/关电导率比是多少？
• RQ5 此类器件能否作为非易失性存储器或类脑计算元件工作？

主要发现

• 基于石墨烯的电化学开关表现出超过六个数量级的电导率变化，证明了其具有高开/关比。
• 电导率的降低归因于在SiOx电介质界面处生成的H+和OH−离子对石墨烯的电化学掺杂。
• 通过短电流脉冲诱导的局部退火可实现掺杂态的逆转，使原始电导率得以恢复。
• 该开关机制在多次循环中表现出稳定性和可逆性，显示出在非易失性存储器应用中的潜力。
• 非化学计量比的SiOx电介质作为催化剂，促进水的离解，实现持续的离子生成而无需外部电解质。
• 该器件无需传统电解质，而是依赖石墨烯/SiOx界面处的界面电化学反应工作。