Fundamentals for ballistic electronics in graphene
Final Report Abstract
Das Vorhaben befasst sich mit dem ballistischen, d.h. stoßfreien Transport von Elektronen/Löchern in Nanostrukturen in Graphen über Distanzen, die vergleichbar oder größer sind als die Strukturabmessungen der Probe. Untersucht wurde dieser Transport sowohl in epitaktischem Graphen auf 6H-SiC (0001) und in exfoliertem Graphen auf Silziumdioxid. Dabei wurden sowohl bilayer und monolayer Graphen untersucht. Hierfür wurde zunächst erfolgreich ein Präparationverfahren entwickelt, um Hall-Bar Strukturen und nanoskalige Kreuzstrukturen in die Filme zu übertragen. Dabei werden minimale Linienbreiten von etwa 30 nm erreicht. Zur Abschätzung der mittleren freien Weglänge wurden jeweils zweidimensionale Hall-bar Strukturen temperaturabhänging unter Magnetfeldeinfluss untersucht. Dabei wurde sowohl die Ladungsträgerdichte als auch die Beweglichkeit bestimmt. Aus dem Verhältnis der elastischen mit der Dingle-Streuzeit und dem Temperaturverhalten der Beweglichkeit können Rückschlüsse auf die dominierenden Streumechanismen gezogen werden. Bei tiefen Temperaturen wird eine mittlere freie Weglänge von le < 59 nm erzielt, die die Grenzen des verwendeten Lithographiesystems und damit die minimalen Abmessungen der Bauelemente überschreitet. So wird in Kreuzstrukturen mit 50 nm breiten Zuleitungen ein negativer bend resistance bis T = 80 K beobachtet. Dieser negative Vierpunktwiderstand ist ein eindeutiger Nachweis für den ballistischen Transport. Wir konnten nachweisen, dass die Stufenkanten des Substrats in epitaktischem Graphen den ballistischen Transport zerstört. Für einen ballistischen Transport unabhängig von der Wahl der Strominjektoren und Spannungssonden muss somit eine parallele Ausrichtung der symmetrischen Kreuzstrukturen zu den Stufenkanten des SiC-Substrats vorgenommen werden. Mit steigender Temperatur werden von außen wirkende Phononen des Siliziumcarbid-Substrats als Grund für eine verringerte Beweglichkeit und eine abfallende mittlere freie Weglänge bestimmt. Deshalb wird bei Raumtemperatur ein überwiegend diffusiver Transport mit einem positiven bend resistance beobachtet. Es konnte von uns nachgewiesen werden, dass bei kleineren Strukturabmessungen (b ≈ 30 nm) die Streuung an den Kanten des Bauelements dominieren und den ballistischen Transport zerstören. Für exfoliertes Graphen auf einem Si/SiO2-Substrat konnten ebenfalls an Hall-Bar Strukturen mittlere freie Weglängen von etwa 60 nm erzielt werden und an Kreuzstrukturen mit 50 nm breiten Zuleitungen wurde bei tiefen Temperaturen ballistischer Transport nachgewiesen. Durch eine Wasserstoff-Interkalation nach dem Wachstum von epitaktischem Graphen wird ein quasi-freistehender Graphen-Film entkoppelt vom Substrat gebildet. Für solche Graphen-Filme wurde eine temperaturunabhängige mittlere freie Weglänge von le ≈ 50 nm aus den Transportparametern ermittelt. Dies ließ ballistischen Transport in bei Raumtemperatur erwarten. Jedoch wurde ein Zusammenbruch des ballistischen Signals bereits bei T ≈ 50 K beobachtet, was auf weitere temperaturabhängige Streuungen in eindimensionalen Strukturen hindeutet. An epitaktischem bilayer Graphen wurde an 50 nm breiten Kreuzstrukturen ein bend resistance bis zu -782 Ω gemessen. Auch bei T = 100 K ist der bend resistance in BLG noch negativ. Ein top gate konnte bisher nur mit einem Dielektrikum aus Novolak realisiert werden. An diesen Strukturen konnte aber ebenfalls bei geringen Dichten ballistischer Transport nachgewiesen werden. Allerdings reichte die Qualität des Dielektrikums noch nicht aus, um Untersuchungen in der Nähe des Dirac Punktes durchzuführen. Zusammenfassend wird durch die Untersuchung der Streumechanismen und entsprechenden Modifikationen das Transportverhalten in epitaktischen Graphen-Filmen besser verstanden. Des Weiteren kann erstmals der ballistische Transport in epitaktischem ML und BL Graphen nachgewiesen werden und damit das Potential der Filme für die Anwendung in integrierten Schaltungen mit neuartigen ballistischen Bauelementen demonstriert werden.
Publications
- Atomic layer deposition of Gd2O3 and Dy2O3 A study of the ALD characteristics and structural and electrical properties. Chemistry of Materials 24, 651 (2012)
K. Xu, R. Ranjith, A. Laha, H. Parala, A. P. Milanov, R. Fischer, E. Bugiel, J. Feydt, S. Irsen, T. Toader, C. Bock, D. Rogalla, H.-J. Osten, U. Kunze, A. Devi
(See online at https://doi.org/10.1021/cm2020862) - Atomic layer deposition of HfO2 thin films employing a heteroleptic Hafnium precursor. Chem. Vap. Deposition 18, 27-35 (2012)
K. Xu, A. P. Milanov, H. Parala, C. Wenger, C. Baristiran-Kaynak, K. Lakribssi, T. Toader, C. Bock, D. Rogalla, H.-W. Becker, U. Kunze, A. Devi
(See online at https://doi.org/10.1002/cvde.201106934) - Influence of structural properties on ballistic transport in nanoscale epitaxial graphene cross junctions. Nanotechnology 23, 395203 (2012)
C. Bock, S. Weingart, E. Karaissaridis, U. Kunze, F. Speck and Th. Seyller
(See online at https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/39/395203)
