材料学

  

      石墨烯(Graphene)自2004年发现以来,成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯的超高室温载流子迁移率与可剪裁加工的特性,使其成为未来纳米电子学器件的重要候选材料。石墨烯本身是零带隙材料,如果直接用其构筑场效应晶体管(FET)器件,门控效果极其有限,难以实现开关特性。目前的一种解决方案是,把石墨烯裁剪成在横向方向为有限尺寸的石墨烯纳米带结构,电子在横向上受限,纳米带则成为典型的准一维系统,石墨烯的能隙被打开。因此,如何高效、可控地制备石墨烯纳米带(宽度到10 nm左右或以下)是当前该领域的一个充满挑战的重要研究课题。

 1.a

 

Armchair(2,2)石墨烯纳米带的原子结构,边界由H原子钝化。将蓝色标记的C原子用分别用N原子和B原子进行替换。由能带结构图和以及蓝色箭头标记的边界态的电荷密度分布图可以发现:1Fermi能级附近的电子态主要由石墨烯纳米带两侧Zigzag形状边界上C原子的电子态贡献;2NB原子杂质的引入使得X点能带结构退简并,并使带隙打开,从而出现了金属向半导体性质的转变。

 1.b

 

单层(2,2)石墨烯纳米带场效应晶体管的原子结构,通过在黄色标记的C原子位置替代N原子得到半导体性质的透射通道。在给定偏压下,电流强度随门电压的变化关系发现,器件的开关比(I_on/I_off)高达2000。器件区长度严重影响场效应晶体管的性能,较小的次临界斜率(S<100mV/decade)和较大的开关比(I_on/I_off >100)要求器件中心的长度需要大于5nm

  

Ref.: Bing Huang, Qimin Yan, Gang Zhou, Jian Wu, Binglin Gu, Wenhui Duan, Feng Liu., “Making a field effect transistor on a single graphene nanoribbon by selective doping” Appl. Phys. Lett. 91,253122(2007)

 

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