[论文解读] Low-energy electron-irradiation effect on transport properties of graphene field effect transistor
本研究调查了低能电子辐照（最高10 keV）对石墨烯场效应晶体管的影响，表明即使电子剂量很低（30 e⁻/nm²），也会显著降低器件性能，导致接触电阻增加和载流子迁移率降低。尽管存在这种退化，器件在反复电学测量后表现出可逆恢复，表明辐照效应为暂时性。
We study the effects of low-energy electron beam irradiation up to 10 keV on graphene based field effect transistors. We fabricate metallic bilayer electrodes to contact mono- and bi-layer graphene flakes on SiO$_2$, obtaining specific contact resistivity $ρ_c \simeq 19 kΩμm^2$ and carrier mobility as high as 4000 cm$^2$V$^{-1}$s$^{-1}$. By using a highly doped p-Si/SiO$_2$ substrate as back gate, we analyze the transport properties of the device and the dependence on the pressure and on the electron bombardment. We demonstrate that low energy irradiation is detrimental on the transistor current capability, resulting in an increase of the contact resistance and a reduction of the carrier mobility even at electron doses as low as 30 $e^-/nm^2$. We also show that the irradiated devices recover by returning to their pristine state after few repeated electrical measurements.
研究动机与目标
- 调查低能电子辐照对石墨烯场效应晶体管电输运特性的影响。
- 确定电子辐照开始导致器件性能退化的阈值剂量。
- 通过反复电学测量评估辐照诱导变化的可逆性。
- 将辐照诱导的变化与接触电阻率和载流子迁移率的变化相关联。
提出的方法
- 使用单层和双层石墨烯纳米片在 SiO₂ 基底上制备石墨烯场效应晶体管，并采用金属双层电极。
- 实现低接触电阻率（ρc ≈ 19 kΩ·μm²）和高载流子迁移率（最高达 4000 cm²V⁻¹s⁻¹）。
- 使用高度掺杂的 p-Si/SiO₂ 基底作为背栅，以调节器件电导率。
- 在不同剂量和压力下施加低能电子束（最高 10 keV），以研究辐照效应。
- 系统测量辐照前、辐照中和辐照后的输运特性，以评估可逆性。
- 分析接触电阻率和载流子迁移率变化与电子剂量和环境压力的关系。
实验结果
研究问题
- RQ1低能电子辐照（最高 10 keV）如何影响石墨烯场效应晶体管的接触电阻？
- RQ2导致载流子迁移率和电流能力可测量退化的最低电子剂量是多少？
- RQ3石墨烯 FET 中辐照诱导的退化是否导致永久性损伤，还是可逆的？
- RQ4辐照期间的环境压力如何影响器件退化的程度？
- RQ5反复电学测量能否恢复辐照后石墨烯 FET 的原始输运特性？
主要发现
- 低能电子辐照在剂量低至 30 e⁻/nm² 时，即导致接触电阻率明显增加和载流子迁移率降低。
- 器件性能的退化是可逆的，器件在反复电学测量后可恢复至原始状态。
- 即使在低电子剂量下，载流子迁移率也显著下降，表明石墨烯输运特性对电子辐照极为敏感。
- 在优化器件中，接触电阻率可达 ρc ≈ 19 kΩ·μm²，但辐照后该值升高。
- 退化程度受辐照压力影响，表明环境因素在辐照效应中起作用。
- 恢复动力学表明，辐照效应可能源于瞬时电荷捕获或缺陷形成，而非永久性结构损伤。
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