(a) Se abrió una banda prohibida en grafeno bicapa mediante dopaje químico con un dopante donante de electrones (BV) en la parte inferior y un dopante aceptor de electrones (moléculas atmosféricas) en la parte superior, que crea una corriente eléctrica vertical. (b) Un transistor de efecto de campo fabricado a partir del grafeno bicapa dopado de doble cara que se muestra en (a). (c) Imagen óptica del transistor fabricado con un canal de grafeno bicapa, fuente, y escurrir sobre la capa BV. Crédito:Lee, et al. © 2015 Sociedad Química Estadounidense
(Phys.org) —Los electrones pueden moverse a través del grafeno casi sin resistencia, una propiedad que le da al grafeno un gran potencial para reemplazar el silicio en la próxima generación, dispositivos electrónicos de alta eficiencia. Pero actualmente es muy difícil controlar los electrones que se mueven a través del grafeno porque el grafeno no tiene banda prohibida, lo que significa que los electrones no necesitan cruzar ninguna barrera de energía para conducir la electricidad. Como resultado, los electrones siempre son conductores, todo el tiempo, lo que significa que esta forma de grafeno no se puede utilizar para construir transistores porque no tiene un estado "apagado". Para controlar el movimiento de electrones en el grafeno y habilitar estados "desactivados" en futuros transistores de grafeno, el grafeno necesita una banda prohibida distinta de cero, una barrera de energía que puede evitar que los electrones conduzcan la electricidad cuando se desee, haciendo del grafeno un semiconductor en lugar de un conductor completo.
En un nuevo estudio, Los científicos han abierto una brecha de banda en el grafeno al dopar cuidadosamente ambos lados del grafeno bicapa de una manera que evita crear desorden en la estructura del grafeno. La apertura delicada de una banda prohibida en el grafeno de esta manera permitió a los investigadores fabricar un transistor de memoria basado en grafeno con la proporción de corriente de borrado / programa inicial más alta informada hasta la fecha para un transistor de grafeno (34,5 en comparación con 4), junto con la relación de encendido / apagado más alta para un dispositivo de este tipo (76,1 en comparación con 26), mientras se mantiene la movilidad de electrones naturalmente alta del grafeno (3100 cm 2 / V · s).
Los investigadores, dirigido por el profesor Young Hee Lee en la Universidad de Sungkyunkwan y el Instituto de Ciencias Básicas en Suwon, Corea del Sur, han publicado su artículo sobre el nuevo método para abrir una brecha de banda en el grafeno en un número reciente de ACS Nano .
"Demostramos con éxito un transistor de grafeno con una alta relación de encendido / apagado y movilidad mediante métodos químicos y mostramos su viabilidad como una aplicación de memoria con una relación de programa / borrado de corriente significativamente mejorada, "primer autor, Si Young Lee, en el Instituto de Ciencias Básicas y la Universidad de Harvard, dicho Phys.org .
Ejemplos de la estructura de la banda (con las energías de banda prohibida calculadas indicadas) para diferentes muestras de grafeno bicapa:(a) dopado en un lado solo con BV, (b) dopado en un lado únicamente con oxígeno, (c) dopado en ambos lados con BV y oxígeno, y (d) dopado en ambos lados con BV y el doble de oxígeno que en (c). Encima de cada gráfico hay una ilustración de la distribución de carga inducida por el dopaje. Crédito:Lee, et al. © 2015 Sociedad Química Estadounidense
Su método se basa en aplicar un campo eléctrico vertical a través del grafeno bicapa, que se ha demostrado que rompe la simetría entre las dos capas de grafeno. Esta modificación crea sitios atómicos con diferentes potenciales eléctricos, que produce una banda prohibida. Estudios anteriores también han utilizado esta estrategia, en el que el campo eléctrico se genera por "dopaje de dos lados" de lados opuestos de la bicapa con diferentes productos químicos. Sin embargo, los resultados anteriores han sido limitados debido a tipos y niveles ineficaces de dopantes, que han generado campos eléctricos relativamente pequeños y también han dañado la estructura altamente ordenada del grafeno.
En el nuevo estudio, los investigadores demuestran que una clave para mejorar estas áreas es la elección del bencil viológeno (BV) como un dopante donante de electrones (tipo n) en la parte inferior del grafeno bicapa. Luego, la parte superior se dopa simplemente con oxígeno y humedad de la atmósfera, que actúan como dopantes captadores de electrones (tipo p). A medida que las moléculas de BV donan electrones a la capa inferior de grafeno, los dopantes atmosféricos retiran los electrones de la capa superior de grafeno, generando un campo eléctrico vertical.
Dado que un campo eléctrico más fuerte induce una banda prohibida más grande, los investigadores pudieron controlar la banda prohibida mediante el uso de concentraciones más altas de dopantes. Todos los dopantes utilizados aquí se absorben en la superficie del grafeno bicapa sin dañar la estructura del grafeno. lo que ayuda a mantener la alta movilidad de electrones del grafeno y la correspondiente corriente alta "activada".
Para demostrar la utilidad del grafeno abierto con banda prohibida, los investigadores fabricaron un transistor con comportamiento de memoria. El dispositivo se programa y borra aplicando un voltaje positivo y negativo, respectivamente. La alta relación de programa / borrado actual del transistor corresponde a un tiempo de retención más largo. Sin embargo, los investigadores señalan que el dispositivo aún tiene margen de mejora. Por ejemplo, su velocidad se puede aumentar. También, El uso de moléculas atmosféricas como dopantes no es ideal para la fabricación a escala industrial debido a su baja estabilidad. por lo que se necesitará un método de dopaje p más duradero.
"Es necesario desarrollar dopantes más estables y efectivos para un mayor rendimiento del dispositivo, "Si Young Lee dijo". Además, nuestro dispositivo se puede realizar sobre sustratos flexibles y transparentes para la electrónica del futuro ".
© 2015 Phys.org
