[论文解读] Controlling the macroscopic electrical properties of reduced graphene oxide by nanoscale writing of electronic channels

Arijit Kayal, G Harikrishnan+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2020

Graphene research and applications参考文献 70被引用 4

一句话总结

本研究通过扫描探针诱导还原，在绝缘性还原石墨烯氧化物（rGO）中实现了sp²富集石墨烯导电通道的纳米尺度书写。通过调节所施加的偏置电压和环境湿度，该方法可精确控制还原程度、带隙调制及宏观电学性能，其输运行为取决于电子态，表现为可变范围跳跃或隧穿机制，该结论已通过温度和偏置依赖的电导率测量及表面电位测绘得到证实。

ABSTRACT

The allure of all carbon electronics stems from the spread in physical properties, across all its allotropes. The scheme also harbours unique challenges, like tunability of band-gap, variability of doping and defect control. Here, we explore the technique of scanning probe tip induced nanoscale reduction of graphene oxide (GO), which nucleates conducting, sp2 rich graphitic regions on the insulating GO background. Flexibility of direct writing is supplemented with control over degree of reduction and tunability of bandgap, through macroscopic control parameters. The fabricated reduced - GO channels and ensuing devices are investigated via spectroscopic, and temperature and bias dependent electrical transport and correlated with spatially resolved electronic properties, using surface potentiometry. Presence of carrier localization effects, induced by the phase-separated sp2/sp3 domains, and large local electric field fluctuations are reflected in the non-linear transport across the channels. Together the results indicate a complex transport phenomena which may be variously dominated by tunnelling, variable range hopping or activated depending on the electronic state of the material.

研究动机与目标

• 开发一种通过局部、探针诱导还原来调控还原石墨烯氧化物（rGO）宏观电学性能的可控方法。
• 研究外部参数（特别是所施加偏置电压和环境湿度）对还原程度及由此产生的电子性质的影响。
• 通过表面电位测绘将电学输运与空间分辨电子结构相关联，明确rGO中主导的电荷输运机制。
• 确定rGO中的输运行为是否由热激活过程、可变范围跳跃（VRH）或隧穿主导，具体取决于电子态和缺陷密度。
• 建立宏观电学行为与纳米尺度电子非均匀性（如载流子局域化和电场涨落）之间的直接关联。

提出的方法

• 利用导电原子力显微镜（C-AFM）通过向探针施加负偏置，在氧化石墨烯（GO）中实现纳米尺度导电通道的书写。
• 采用表面电位测绘技术，表征表面电势的空间分布，并将其与局部电子非均匀性及载流子局域化相关联。
• 测量温度和偏置依赖的电流-电压（I-V）特性，以识别输运机制，包括热激活输运和二维可变范围跳跃（VRH）。
• 利用Mott-VRH模型（𝐺𝑠 ∝ exp[−(𝑇₀/𝑇)¹ᐟ³]）和热激活模型（𝐺𝑠 ∝ exp[−𝐸𝑎/𝑘𝐵𝑇]）分析面电导率（𝐺𝑠）的温度依赖性，以区分不同输运区域。
• 系统调节还原偏置电压和相对湿度，量化其对结电流和还原效率的影响，数据通过电流和电导率图谱获取。
• 采用模型方法，从实验数据拟合中提取跳跃参数𝑇₀和活化能𝐸𝑎，以表征rGO的电子态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在C-AFM纳米尺度书写过程中，所施加偏置电压的大小如何影响rGO的还原程度及其宏观电导率？
• RQ2 环境湿度在多大程度上影响GO的探针诱导还原的效率和结果？
• RQ3 在不同还原程度和缺陷密度下，rGO导电通道中的主导电荷输运机制是热激活输运、Mott-VRH还是Efros-Shklovskii-VRH？
• RQ4 表面电势和局部电场的空间变化如何与rGO中的非线性I-V特性及载流子局域化相关联？
• RQ5 能否通过纳米尺度书写可控调节rGO的带隙？该调节与sp²结构域的尺寸和连通性有何关系？

主要发现

• 当相对湿度从20%升高至80%时，结电流（𝐼𝑗）增加了约10³倍，表明还原过程对环境具有强烈依赖性。
• 当还原偏置从低值提升至高值时，平均结电流提高了约10⁶倍，表明通过外加电压可高度调控电导率。
• 对于高电阻rGO器件（𝑅 ~ 300 kΩ），温度依赖电导率符合热激活模型，活化能𝐸𝑎 ≈ 160 meV，表明为带状输运行为。
• 对于低电阻rGO器件（𝑅 ~ 50 kΩ），电导率符合二维Mott-VRH模型，指数为1/3，表明电荷输运在无序体系中主要由可变范围跳跃主导。
• 观察到非线性I-V特性及显著的局部电场涨落，表明存在强载流子局域化及受相分离sp²/sp³结构域影响的复杂输运行为。
• 在低温下偏离二维Mott-VRH模型，表明可能向电场驱动跳跃（如Efros-Shklovskii VRH）转变，凸显电场在调制输运中的关键作用。