(a) Une bande interdite a été ouverte dans du graphène bicouche par dopage chimique avec un dopant donneur d'électrons (BV) en bas et un dopant accepteur d'électrons (molécules atmosphériques) en haut, qui crée un courant électrique vertical. (b) Un transistor à effet de champ fabriqué à partir du graphène bicouche dopé double face illustré en (a). (c) Image optique du transistor fabriqué avec un canal de graphène bicouche, la source, et drainer sur la couche BV. Crédit :Lee, et al. ©2015 Société chimique américaine
(Phys.org) - Les électrons peuvent se déplacer à travers le graphène avec presque aucune résistance, une propriété qui donne au graphène un grand potentiel pour remplacer le silicium dans la prochaine génération, appareils électroniques très efficaces. Mais actuellement, il est très difficile de contrôler les électrons se déplaçant à travers le graphène car le graphène n'a pas de bande interdite, ce qui signifie que les électrons n'ont pas besoin de traverser de barrière énergétique pour conduire l'électricité. Par conséquent, les électrons sont toujours conducteurs, tout le temps, ce qui signifie que cette forme de graphène ne peut pas être utilisée pour construire des transistors car elle n'a pas d'état "off". Afin de contrôler le mouvement des électrons dans le graphène et d'activer les états « off » dans les futurs transistors au graphène, le graphène a besoin d'une bande interdite non nulle - une barrière énergétique qui peut empêcher les électrons de conduire l'électricité quand on le souhaite, faire du graphène un semi-conducteur au lieu d'un conducteur complet.
Dans une nouvelle étude, les scientifiques ont ouvert une bande interdite dans le graphène en dopant soigneusement les deux côtés du graphène bicouche d'une manière qui évite de créer un désordre dans la structure du graphène. L'ouverture délicate d'une bande interdite dans le graphène a ainsi permis aux chercheurs de fabriquer un transistor à mémoire à base de graphène avec le rapport de courant de programme/effacement initial le plus élevé signalé à ce jour pour un transistor au graphène (34,5 contre 4), ainsi que le rapport marche/arrêt le plus élevé pour un appareil de ce type (76,1 contre 26), tout en maintenant la mobilité électronique naturellement élevée du graphène (3100 cm 2 /Vs).
Les chercheurs, dirigé par le professeur Young Hee Lee de l'Université Sungkyunkwan et de l'Institut des sciences fondamentales de Suwon, Corée du Sud, ont publié leur article sur la nouvelle méthode pour ouvrir une bande interdite dans le graphène dans un récent numéro de ACS Nano .
"Nous avons démontré avec succès un transistor au graphène avec un rapport marche/arrêt et une mobilité élevés par des méthodes chimiques et avons montré sa faisabilité en tant qu'application de mémoire avec un rapport de courant de programme/effacement considérablement amélioré, " premier auteur Si Young Lee, à l'Institute for Basic Science et à l'Université Harvard, Raconté Phys.org .
Exemples de structure de bande (avec les énergies de bande interdite calculées indiquées) pour différents échantillons de graphène bicouche :(a) dopé d'un côté avec BV uniquement, (b) dopé d'un côté avec de l'oxygène seulement, (c) dopé des deux côtés avec du BV et de l'oxygène, et (d) dopé des deux côtés avec du BV et deux fois plus d'oxygène qu'en (c). Au-dessus de chaque graphique se trouve une illustration de la répartition des charges induite par le dopage. Crédit :Lee, et al. ©2015 Société chimique américaine
Leur méthode est basée sur l'application d'un champ électrique vertical à travers le graphène bicouche, qui a été montré pour briser la symétrie entre les deux couches de graphène. Cette modification crée des sites atomiques avec des potentiels électriques différents, ce qui produit une bande interdite. Des études antérieures ont également utilisé cette stratégie, dans lequel le champ électrique est généré par "dopage double face" des côtés opposés de la bicouche avec différents produits chimiques. Cependant, les résultats précédents ont été limités en raison de types et de niveaux inefficaces de dopants, qui ont généré des champs électriques relativement faibles et ont également endommagé la structure hautement ordonnée du graphène.
Dans la nouvelle étude, les chercheurs démontrent que l'une des clés pour améliorer ces domaines est le choix du benzyl viologène (BV) comme dopant donneur d'électrons (type n) au bas du graphène bicouche. La face supérieure est ensuite dopée simplement avec de l'oxygène et de l'humidité de l'atmosphère, qui agissent comme des dopants attracteurs d'électrons (type p). Comme les molécules BV donnent des électrons à la couche de graphène inférieure, les dopants atmosphériques retirent les électrons de la couche supérieure de graphène, générer un champ électrique vertical.
Étant donné qu'un champ électrique plus fort induit une plus grande bande interdite, les chercheurs ont pu contrôler la bande interdite en utilisant des concentrations plus élevées de dopants. Tous les dopants utilisés ici sont absorbés à la surface du graphène bicouche sans endommager la structure du graphène, ce qui aide à maintenir la mobilité élevée des électrons du graphène et le courant « on » élevé correspondant.
Pour démontrer l'utilité du graphène à bande interdite, les chercheurs ont fabriqué un transistor avec un comportement de mémoire. L'appareil est programmé et effacé en appliquant une tension positive et négative, respectivement. Le rapport courant de programmation/effacement élevé du transistor correspond à un temps de rétention plus long. Cependant, les chercheurs notent que l'appareil peut encore être amélioré. Par exemple, sa vitesse peut être augmentée. Aussi, l'utilisation de molécules atmosphériques comme dopants n'est pas idéale pour la fabrication à l'échelle industrielle en raison d'une faible stabilité, une méthode de dopage p plus durable sera donc nécessaire.
"Il est nécessaire de développer des dopants plus stables et efficaces pour des performances plus élevées des appareils, " dit Si Young Lee. " De plus, notre dispositif peut être réalisé sur des substrats flexibles et transparents pour l'électronique future."
© 2015 Phys.org
