[论文解读] Graphene separation and stretching induced by piezoelectric effect of ferroelectric domains: impact on the conductance of graphene channel

Morozovska, Anna N., Kurchak, Anatolii I.+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2017

Graphene research and applications被引用 16

一句话总结

本文提出了一种铁电衬底中的压电机制，通过栅压调控畴壁运动，实现对石墨烯沟道的可控拉伸与分离，显著增强石墨烯电导率，其机制源于应变诱导的声子散射。该效应可实现电压可调的电导调制，并提供一种无需额外工艺步骤的无刻蚀新型石墨烯悬挂结构制备方法。

ABSTRACT

P-N junctions in graphene on ferroelectric have been actively studied, but the impact of piezoelectric effect in ferroelectric substrate with ferroelectric domain walls (FDWs) on graphene characteristics was not considered. Due to the piezo-effect ferroelectric domain stripes with opposite spontaneous polarizations elongate or contract depending on the polarity of voltage applied to the substrate. We show that the alternating piezoelectric displacement of the ferroelectric domain surfaces can lead to the alternate stretching and separation of graphene areas at the steps between elongated and contracted domains. Graphene separation at FDWs induced by piezo-effect can cause unusual effects. In particular, the conductance of graphene channel in a field effect transistor increases essentially, because electrons in the stretched section scatter on acoustic phonons. At the same time the graphene conductance is determined by ferroelectric spontaneous polarization and varies greatly in the presence of FDWs. The revealed piezo-mechanism of graphene conductance control is promising for next generations of graphene-based field effect transistors, modulators, electrical transducers and piezo-resistive elements. Also our results propose the method of suspended graphene fabrication based on piezo-effect in a ferroelectric substrate that does not require any additional technological procedures.

研究动机与目标

• 研究具有180°畴壁的铁电衬底中压电效应对石墨烯应变与输运性质的影响。
• 分析铁电畴壁处压电表面位移如何导致石墨烯分离与拉伸。
• 量化应变和悬挂区域引起的石墨烯沟道电导变化。
• 提出一种仅利用压电效应实现悬挂石墨烯制备的新方法，避免传统刻蚀或机械工艺。
• 建立铁电极化、栅压与通过应变介导的电子散射关联的石墨烯电导的理论框架。

提出的方法

• 利用解耦近似和基于压电系数（d31, d33）与栅压U的解析表达式，建模铁电衬底表面在180°畴壁附近的垂直压电位移。
• 基于参考文献[34]的公式(1)–(3)推导表面位移分布，并在附录A中给出理想接触（d=0）下的简化形式。
• 分析石墨烯-铁电界面处的机械力：弹性张力（F）、其法向分量（Fn）与切向分量（FS），以及石墨烯与衬底之间的结合力（Fb）。
• 建立当Fn > Fb时石墨烯分离的条件，利用力平衡与几何近似在附录B中推导出悬挂区域的临界长度l。
• 应用马蒂森规则（公式C.1）计算包含长度为l的悬挂段的石墨烯沟道总电导，结合键合区域（σB）与悬挂区域（σS）的电导率。
• 使用公式(C.3)将电导率表示为电子浓度nS与平均自由程λB的函数，其中λB与电离杂质散射及费米能级相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有180°畴壁的铁电衬底中的压电效应如何在石墨烯中诱导机械应变与分离？
• RQ2 栅压、铁电极化与石墨烯电导调制之间存在何种关系？
• RQ3 在何种条件下，由于压电应力作用，石墨烯会在畴壁台阶处脱离衬底？
• RQ4 压电效应能否用于实现无需传统刻蚀或机械加工的悬挂石墨烯制备？
• RQ5 应变诱导的声子散射如何影响悬挂石墨烯区域的电导？

主要发现

• 在1–3 V栅压下，铁电衬底（如PZT）的压电位移可达0.5–1 nm，可在石墨烯中诱导显著的机械应变。
• 当弹性张力的法向分量超过结合力时，石墨烯在畴壁台阶处发生分离，形成悬挂区域，其长度l与U²成正比，与Yd成反比，其中Y为石墨烯的杨氏模量，d为界面间隙。
• 由于声子散射减少，悬挂石墨烯区域的电导显著增强，当l ≪ L时，电导的倒数主要由悬挂段主导。
• 电导强烈受铁电极化与栅压调制，且由于电子迁移率提升，电导的主要贡献来自悬挂段。
• 模型预测：当U = 1 V，H = 50 nm，d = 0.5 nm，且PS ≈ 0.5 C/m²时，石墨烯中的载流子浓度主要由畴壁两侧的极化差决定。
• 提出一种新颖的无刻蚀悬挂石墨烯制备方法，仅依赖铁电衬底中的压电效应，完全避免化学或机械处理步骤。