[论文解读] Electron Transport Properties of Graphene-Graphyne-Graphene Transistors: First Principles Study

Young In Jhon, Myung S. Jhon|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2013

Graphene research and applications被引用 3

一句话总结

这项第一性原理研究探讨了石墨烯-乙炔碳烯-石墨烯场效应晶体管（FETs），通过石墨烯与乙炔碳烯之间的晶格匹配界面实现了稳定的电子输运。器件的开/关比为10²–10³，最小值为650（在8.5 Å的小尺寸乙炔碳烯下），且传输带隙为0.8 eV，表明其在高性能、分子尺度集成电路方面具有强大潜力。

ABSTRACT

A novel nanoelectronic device is constructed by graphyne that is robustly connected between graphene electrodes, where graphyne is composed of hexagonal carbon rings and carbon chains. Owing to similarities between the bond lengths and unit cell shapes of graphene and graphyne, they have perfectly matched interfacial structure at periodic locations, enabling the facilitated charge transfer and heterostructural stability. Using a combined nonequilibrium Green's function and density functional theory formalism, we have systematically investigated the electron transport properties of graphene-graphyne-graphene field effect transistors (FETs) by varying the graphyne size and the carbon chain length. These devices exhibit excellent switching behaviors with ON/OFF ratios on the order of 10^2-10^3. The ON/OFF ratio increases as either of the graphyne size or the carbon chain length increases. Noticeably, these devices sustain good FET features even at the small graphyne size of 8.5 A, yielding ON/OFF ratio of 650 and transmission energy gap of 0.8 eV, which suggests their potential applications for fabricating highly-integrated circuits at the level comparable to molecular devices. Their boron-nitrides analogues show similar qualitative behaviors for the changes of the graphyne size and bias voltage, but they show higher ON/OFF ratios for the smaller chain length in contrast to graphyne TFTs.

研究动机与目标

• 探索石墨烯–乙炔碳烯–石墨烯异质结中的电子输运行为，以用于纳米电子应用。
• 分析乙炔碳烯尺寸和碳链长度对器件性能的影响。
• 评估这些异质结作为高性能、原子级厚度场效应晶体管的可行性。
• 比较基于碳的乙炔碳烯FET与相应氮化硼（BN）类材料的输运特性。

提出的方法

• 采用非平衡格林函数（NEGF）方法结合密度泛函理论（DFT）进行电子结构和输运计算。
• 通过周期性边界条件建模石墨烯–乙炔碳烯–石墨烯异质结，以确保晶格匹配界面的稳定性。
• 系统性地改变乙炔碳烯的晶胞尺寸和碳链长度，以评估其对电导率和开关行为的影响。
• 在施加栅压条件下计算透射谱和电流-电压（I-V）特性，以评估FET性能。
• 分析能带结构和透射带隙，以理解开关行为的起源。
• 将基于碳的乙炔碳烯与基于BN的类比材料结果进行比较，以评估材料依赖性趋势。

实验结果

研究问题

• RQ1 乙炔碳烯晶胞尺寸如何影响石墨烯–乙炔碳烯–石墨烯FET中的电子输运和开关性能？
• RQ2 碳链长度在调节这些异质结的开/关比和透射带隙中起什么作用？
• RQ3 在小尺寸乙炔碳烯（例如8.5 Å）下，是否仍能支持高性能场效应晶体管行为？
• RQ4 在类似结构变化下，基于乙炔碳烯的FET与基于氮化硼的类比材料在输运特性上有何比较？
• RQ5 这些二维异质结中观察到的透射带隙和开关行为的内在起源是什么？

主要发现

• 石墨烯–乙炔碳烯–石墨烯FET的开/关比在10²至10³之间，8.5 Å乙炔碳烯尺寸下最小值为650。
• 随着乙炔碳烯尺寸增大和碳链变长，开/关比提高，表明开关性能可调。
• 在8.5 Å乙炔碳烯尺寸下观察到0.8 eV的透射能量带隙，证实了清晰的带隙以实现开关功能。
• 即使在所研究的最小乙炔碳烯尺寸下，器件仍保持优异的FET特性，表明其在分子尺度集成中的可行性。
• BN基类比材料表现出相似的定性趋势，但在较短碳链长度下实现的开/关比高于碳基乙炔碳烯FET。
• 石墨烯与乙炔碳烯之间的晶格匹配界面实现了高效的电荷转移和结构稳定性，支持器件的稳健运行。