[论文解读] 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 463

一句话总结

该论文表明，原子级厚度的六方氮化硼（h-BN）单层在石墨烯基异质结构中可作为高度均匀、无缺陷的隧穿势垒。隧穿电导率随h-BN厚度的增加呈指数衰减，使电子输运可精确控制至单层水平，具有高均匀性和高击穿场强，因此非常适合用于隧穿器件和高密度场效应晶体管。

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.

研究动机与目标

• 研究石墨烯/h-BN/石墨烯和石墨/ h-BN/石墨异质结构作为隧穿器件的电子特性。
• 确定h-BN厚度和态密度在调制隧穿电导率中的作用。
• 评估超薄h-BN作为二维范德华异质结构中电介质势垒的均匀性和击穿强度。
• 评估h-BN在高载流子密度的高性能隧穿和场效应晶体管中作为潜在电介质的适用性。

提出的方法

• 通过机械剥离法堆叠石墨烯、石墨或金与超薄六方氮化硼（h-BN）层，制备范德华异质结构。
• 测量石墨烯/BN/石墨烯和石墨/BN/石墨异质结构器件的电流-电压（I-V）特性，以分析隧穿行为。
• 利用导电原子力显微镜（CAFM）对不同厚度的h-BN晶面进行扫描，绘制隧穿电流的均匀性分布。
• 分析隧穿电导率与h-BN层数的关系，显示其随厚度增加呈指数衰减。
• 采用态密度（DOS）建模，解释电极中电压相关的I-V特性。
• 通过电学测量和形貌分析评估击穿场强和缺陷密度。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯/h-BN/石墨烯异质结构中的隧穿电导率如何随h-BN原子层数变化？
• RQ2 电极中态密度在多大程度上影响h-BN隧穿器件的I-V特性？
• RQ3 通过导电原子力显微镜测量，不同厚度h-BN晶面的隧穿电流均匀性如何？
• RQ4 原子级厚度h-BN的击穿场强是多少，与传统电介质相比如何？
• RQ5 h-BN能否作为高性能隧穿和场效应晶体管中高载流子密度下的高质量、无缺陷电介质？

主要发现

• 石墨烯/BN/石墨烯和石墨/BN/石墨异质结构中的隧穿电导率随h-BN层数增加而呈指数衰减，最低可至单层。
• 导电原子力显微镜显示，h-BN不同厚度晶面上的隧穿电流具有高度空间均匀性，表明缺陷极少。
• 指数型I-V行为主要由石墨烯和石墨电极中电压相关的态密度决定。
• 原子级厚度的h-BN表现出高击穿场强，证实其在纳米尺度器件中作为电介质的可靠性。
• 结果表明，h-BN是一种无缺陷电介质，具有优异的均匀性和稳定性，适用于高性能隧穿和场效应晶体管。