Ток через графен
http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/9_19/perst.htm#N_9_19_14
Графены способны пропускать ток до 108 А/см2
Рекордные величины теплопроводности и электропроводности определяют перспективы использования графенов в наноэлектронике в качестве основы материала, применяемого для отвода тепла и заряда. Недавно в Georgia Institute of Technology, Atlanta (США) было выполнено измерение предельно достижимого тока через графен [1]. Результат этого эксперимента также оказался рекордным. В качестве исходного материала использовали графены, состоящие из небольшого числа слоев (от одного до пяти). Образцы графенов представляли собой продолговатые полоски длиной от 0.2 до 1.0 мкм и шириной от 16 до 52 нм. Электрические измерения производили по четырехконтактной схеме, с тем, чтобы исключить влияние контактного сопротивления. Напряжение, прикладываемое к паре внутренних электродов, возрастало со скоростью 50 мВ/с, до тех пор, пока ток через графен не прерывался в результате пробоя. Результаты измерений, выполненных на 21 образце, показали, что плотность тока через графен, соответствующая электрическому пробою, изменяется в пределах от 1.2х108 до 2.8х108 А/см2. При этом ток через графен достигает порядка 30 мкА. Оцененная величина контактного сопротивления оказалась в диапазоне от 30 до 80 Ом, что соответствует удельному сопротивлению контактов от 15 до 80 Ом мкм2. Зависимость плотности тока пробоя JB от удельного сопротивления образца ρ хорошо аппроксимируется соотношением JB = Aρ-B, где А = 5.72х108 А/см2, а В = 0.71 (здесь ρ – удельное сопротивление образца, мкОм·см). Полученная зависимость максимальной плотности тока от сопротивления имеет более резкий характер по сравнению с теоретической зависимостью (В = 0.5), имеющей место при термическом разрушении проводника при омическом нагреве. Это несоответствие указывает на роль структурных дефектов в механизме переноса электронов, присутствие которых делает зависимость предельного тока от сопротивления более резкой.
На основании уравнения теплопроводности для графена, и величины температуры его термического разрушения (Тм = 800оС) удалось оценить коэффициент теплопроводности для графеновой полоски шириной 18 нм – κ = 1100 Вт/м К (для других образцов этот параметр оказался в диапазоне между 1000-1400 Вт/м К). Оценочные коэффициенты теплопроводности графенов в несколько раз ниже теоретической величины, вычисленной ранее для графеновых полосок шириной в несколько микрон и комнатной температуры [2]. Падение коэффициента теплопроводности графенов с ростом температуры и уменьшением их размеров находится в соответствии с современными представлениями о фононном механизме переноса тепла в двумерных кристаллах.
А.Елецкий
1. R.Murali et al., Appl. Phys. Lett. 94, 243114 (2009).
2. D.L.Nika et al., Phys. Rev. B 79, 155413 (2009).
http://issp.ras.ru/Control/Inform/perst/9_19/perst.htm#O_9_19_15
Получение графенов большой площади в результате термического разложения карбида кремния
Открытие возможности выделения индивидуальных графенов привлекло внимание к этому объекту десятков лабораторий во всем мире. Это связано как с необычными физико-химическими свойствами графенов (рекордная теплопроводность, возможность наблюдения квантового эффекта Холла и перехода от баллистического к диффузионному механизму переноса тепла и заряда и т.п.), так и обусловленным ими значительным потенциалом прикладного использования. Реализация этого потенциала возможна только в результате разработки относительно простых и достаточно эффективных методов получения и идентификации графенов. По этой причине на данной стадии развития исследований в области графенов усилия специалистов направлены на разработку и модификацию таких методов.
Среди множества публикаций подобного рода обращает на себя внимание работа, выполненная большой группой исследователей из университетов Германии и США [1], которым удалось существенно модифицировать разработанный ранее метод синтеза графенов на основе термического разложения карбида кремния. Согласно этому методу, исходным материалом для получения графенов служит монокристаллическая пластина SiC, ориентированная плоскостью (0001). В некоторых экспериментах использовали пластины, легированные азотом и имеющие концентрацию носителей до 2х1018 см-3. Графены выращивали в вертикальной водоохлаждаемой кварцевой трубке в потоке аргона, температуру которого повышали либо понижали со скоростью 2-3оC в секунду. Типичная продолжительность процесса составляла 15 мин. Максимальная температура варьировалась в диапазоне от 1500 до 2000о C, а давление газа могло составлять от 0,01 до 0,9 атм. Выполненное исследование показало, что использование буферного газа приводит к образованию графенов существенно большей площади, чем в случае вакуумного отжига при тех же температурах. Для определения химического состава графенов и их толщины использовали рентгеновскую фотоионизационную спектроскопию с угловым разрешением. Измерения показали, что даже после выдержки на воздухе в течение часа кислород на поверхности графенов не детектируется (на уровне 1%). Однако, при более длительной выдержке на поверхности графенов сорбируется слой углеводородов и воды, который, можно удалить лишь после отжига при 600оC в вакууме. Морфология поверхности исследовали с помощью атомного силового микроскопа (АСМ). Для изучения структуры полученных пленок использовали метод, основанный на дифракции медленных электронов. Кроме того, полученные образцы пленок исследовали с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния с пространственным разрешением на уровне 2 мкм.
Исследования показали, что поверхность исходной пластины SiC, подвергнутая травлению водородом, содержит параллельные гладкие террасы шириной 300–700 нм, длиной до 50 мкм и высотой около 1,5 нм. В результате вакуумного отжига по описанной выше программе эта поверхность покрывается островками однослойных графенов поперечником около 10 нм, наряду с которыми наблюдаются также двухслойные графены. При этом сама поверхность подложки становится существенно более шероховатой. В отличие от вакуумных условий, графены, полученные в результате отжига SiC в атмосфере аргона, характеризуются поперечными размерами до сотни мкм и значительно более высокой степенью пространственной однородности.
Для измерения электрических характеристик использовали образцы графенов площадью 100х100 мкм2 либо 4х50 мкм2. Измерения проводили методом Холла по четырехзондовой схеме с применением Ti/Au контактов. Согласно измерениям, подвижность носителей в образце, полученном в атмосфере аргона, составила около 2000 см2 В-1 с-1 и около 900 см2 В-1 с-1 при температурах 27 К и 300 К, соответственно. Подвижность носителей в образцах, полученных в вакууме, в 2–3 раза ниже. Измеренные величины подвижности носителей в несколько раз ниже тех, которые присущи графенам, полученным в результате механического расщепления графита [2, 3]. Концентрация носителей, согласно измерениям, составила величины около 1013 см-3, что примерно вдвое выше чем в работах [2, 3].
Полученные результаты указывают на возможность использования данного метода для получения графенов значительной площади в макроскопических количествах.
А.Елецкий
1. K.V.Emtsev et al., Nature Materials 8, 203 (2009).
2. K.S.Novoselov et al., Nature 438, 197 (2005).
3. Y.B.Zhang et al., Nature 438, 201 (2005).