[论文解读] Room-temperature electric field effect and carrier-type inversion in graphene films

Kostya S. Novoselov, A. K. Geim+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2004

Graphene research and applications参考文献 11被引用 49

一句话总结

该论文展示了在机械剥离的石墨烯薄膜中实现的鲁棒室温电场效应，可通过栅压实现电子与空穴载流子类型的可逆转换。高迁移率、连续且宏观的石墨烯薄膜在亚微米尺度下表现出弹道输运，确立了石墨烯作为具有可调电子特性的场效应器件在常温条件下的有前途的二维材料。

ABSTRACT

The ability to control electronic properties of a material by externally applied voltage is at the heart of modern electronics. In many cases, it is the so-called electric field effect that allows one to vary the carrier concentration in a semiconductor device and, consequently, change an electric current through it. As the semiconductor industry is nearing the limits of performance improvements for the current technologies dominated by silicon, there is a constant search for new, non-traditional materials whose properties can be controlled by electric field. Most notable examples of such materials developed recently are organic conductors [1], oxides near a superconducting or magnetic phase transition [2] and carbon nanotubes [3-5]. Here, we describe another system of this kind - thin monocrystalline films of graphite - which exhibits a pronounced electric field effect, such that carriers in the conductive channel can be turned into either electrons or holes. The films remain metallic, continuous and of high quality down to a few atomic layers in thickness. The demonstrated ease of preparing such films of nearly macroscopic sizes and of their processing by standard microfabrication techniques, combined with submicron-scale ballistic transport even at room temperature, offer a new two-dimensional system controllable by electric-field doping and provide a realistic promise of device applications.

研究动机与目标

• 研究少层石墨烯薄膜在室温下的电场效应。
• 探索通过栅压实现载流子类型反转（电子-空穴转换）的可行性。
• 评估石墨烯薄膜的质量及其输运特性，以评估其在潜在纳米电子应用中的潜力。
• 评估石墨烯薄膜通过标准微纳加工技术实现的可加工性与可扩展性。
• 确立石墨烯作为在常温条件下具备高性能输运特性的场效应器件可行二维平台。

提出的方法

• 将机械剥离的石墨烯薄膜转移至SiO2/Si基底上，形成背栅场效应器件。
• 通过Si基底施加栅压，调节石墨烯沟道中的载流子密度。
• 在室温下进行电输运测量，以表征场效应行为。
• 通过调节栅压极性，可逆地切换载流子类型（电子或空穴）。
• 在亚微米尺度器件中观察到高迁移率的弹道输运，表明材料质量优异。
• 采用标准场效应晶体管（FET）结构，配置为顶栅或背栅形式对系统进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在室温下在石墨烯薄膜中观察到显著的电场效应？
• RQ2 是否可通过栅压实现石墨烯中载流子类型的反转（从n型到p型或反之）？
• RQ3 石墨烯在室温下的载流子迁移率与输运行为与传统半导体相比如何？
• RQ4 在保持高电子质量的前提下，石墨烯薄膜在多大程度上可使用标准微纳加工技术进行处理？
• RQ5 基于石墨烯的场效应器件在可扩展性与宏观可行性方面如何？

主要发现

• 在室温下观察到石墨烯薄膜中显著的电场效应，栅压对电导率具有清晰调制作用。
• 通过调节栅压极性，可逆地实现了电子与空穴载流子类型的反转，证实了双载流子输运行为。
• 石墨烯薄膜即使在仅几层原子厚度时也表现出高迁移率和连续的金属性行为。
• 亚微米尺度器件在室温下表现出弹道输运，表明材料质量高且散射效应低。
• 薄膜尺寸为宏观尺度，且可适配标准微纳加工工艺，支持实际器件集成。
• 结果表明，石墨烯是常温条件下具备可调电子特性的场效应器件的可行二维材料平台。