[論文レビュー] Atomically thin boron nitride: a tunnelling barrier for graphene devices

L. Britnell, Roman Gorbachev+13 more|RepositóriUM (Universidade do Minho)|Feb 3, 2012

Graphene research and applications参考文献 17被引用数 463

ひとこと要約

この論文は、グラフェンベースのヘテロ構造において、原子的に薄い六方晶窒化ホウ素（h-BN）単層膜が、高均一性で欠际のないトンネル障壁として機能することを示している。トンネル電導度はh-BNの厚さに伴い指数関数的に減少し、モノレイヤーにまで電子輸送を精密に制御可能であり、高均一性と高い破壊電界を示すため、トンネル素子および高密度のフィールド効果トランジスタに最適である。

ABSTRACT

We investigate the electronic properties of heterostructures based on ultrathin hexagonal boron nitride (h-BN) crystalline layers sandwiched between two layers of graphene as well as other conducting materials (graphite, gold). The tunnel conductance depends exponentially on the number of h-BN atomic layers, down to a monolayer thickness. Exponential behaviour of I-V characteristics for graphene/BN/graphene and graphite/BN/graphite devices is determined mainly by the changes in the density of states with bias voltage in the electrodes. Conductive atomic force microscopy scans across h-BN terraces of different thickness reveal a high level of uniformity in the tunnel current. Our results demonstrate that atomically thin h-BN acts as a defect-free dielectric with a high breakdown field; it offers great potential for applications in tunnel devices and in field-effect transistors with a high carrier density in the conducting channel.

研究の動機と目的

• グラフェン/h-BN/グラフェンおよびグラファイト/h-BN/グラファイトヘテロ構造の電子的性質をトンネル素子として調査すること。
• h-BNの厚さと状態密度がトンネル電導度をどのように制御するかを特定すること。
• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造における超薄膜h-BNを誘電体障壁としての均一性と破壊強度を評価すること。
• 高キャリア密度を有する高性能トンネルおよびフィールド効果トランジスタへのh-BNの可能性を評価すること。

提案手法

• グラフェン、グラファイト、または金を、超薄膜の六方晶窒化ホウ素（h-BN）層と機械的剥離法を用いて積層することでファンデルワールスヘテロ構造を形成する。
• グラフェン/BN/グラフェンおよびグラファイト/BN/グラファイトデバイスにおける電流-電圧（I-V）特性を測定し、トンネル挙動を分析する。
• h-BNの異なる厚さのテラスを走査する導電性原子間力顕微鏡（CAFM）を用いて、トンネル電流の均一性をマッピングする。
• h-BNの層数に伴うトンネル電導度の依存関係を分析し、厚さが増加するにつれて指数関数的に減少することを示す。
• 電極内の電圧依存状態密度（DOS）モデルを用いて、電圧依存I-V特性を説明する。
• 電気的測定および顕微構造的分析を用いて、破壊電界強度と欠际密度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン/h-BN/グラフェンヘテロ構造におけるトンネル電導度は、h-BN原子層の数にどのように依存するか？
• RQ2 電極内の状態密度がh-BNトンネル素子のI-V特性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ3 導電性原子間力顕微鏡による測定で、h-BNテラスの異なる厚さにおけるトンネル電流の均一性はどの程度か？
• RQ4 原子的に薄いh-BNの破壊電界強度は何か？ また、従来の誘電体と比較してどうか？
• RQ5 h-BNは、高キャリア密度を有するトンネル素子およびフィールド効果トランジスタにおける高品質で欠际のない誘電体として機能できるか？

主な発見

• グラフェン/BN/グラフェンおよびグラファイト/BN/グラファイトデバイスにおけるトンネル電導度は、h-BNの層数が増加するにつれて指数関数的に減少し、単一レイヤーまで達する。
• 導電性原子間力顕微鏡による測定では、h-BNテラスの異なる厚さにおいてもトンネル電流の高い空間的均一性が示され、欠际がほとんどないことが示された。
• 指数関数的I-V挙動は、主にグラフェンおよびグラファイト電極内の電圧依存状態密度に起因している。
• 原子的に薄いh-BNは高い破壊電界を示し、ナノスケールデバイスにおける誘電体としての強靭性が確認された。
• 本研究の結果は、h-BNが欠际のない誘電体として優れた均一性と安定性を示し、高性能トンネルおよびフィールド効果トランジスタに適していることを示している。