Riassunto analitico
Le straordinarie proprietà elettriche del grafene possono portare alla realizzazione di dispositivi dalle alte prestazioni nel campo dell’elettronica. La mancanza di un bandgap impedisce l’utilizzo del grafene per la realizzazione di transistori, nei quali la presenza di una bandgap controllabile è essenziale. Il confinamento quantistico e degli effetti di bordo permettono a strutture di grafene di larghezza limitata di avere un bandgap diretto. Il fatto che questo bandgap derivi non solo dalla larghezza ma anche dalla forma del nano-Ribbon di grafene(GNR) rende indispensabile un controllo a livello atomico di forma e dimensioni di questi GNR. Nonostante diverse tecniche top-down siano state sviluppate per fabbricare questi GNR solo attraverso una precisa crescita da sintesi chimica si riescono ad ottenere GNR di struttura definita al livello atomico.
Le eccezionali caratteristiche del grafene, insieme alla sua affinità elettronica con altre strutture a base di carbonio favorisce l’utilizzo del grafene come elettrodo trasparente per collegare altri materiali di bassa dimensionalità come i GNR. Per usare il grafene come elettrodo è necessario realizzare un’apertura nanometrica in una striscia di grafene da contattare con i GNR. Verranno presentate le tecniche e strumentazioni necessarie per fabbricare elettrodi di grafene micrometrici con spaziature nanometriche. Sono descritti in dettaglio i metodi per fabbricare dispositivi di grafene con l’uso della litografia elettronica (EBL), l’etching con plasma di ioni reattivi (RIE) e l’evaporazione di metalli. Saranno descritte in dettaglio le tecniche di caratterizzazione morfologica, come l’AFM e il Raman, e di trasporto elettronico usate per il grafene.
I primi dispositivi sono stati realizzati usando grafene esfoliato come elettrodi e GNR cresciuti in soluzione liquida e depositati a goccia sugli elettrodi. Con questo tipo di dispositivi non sono stati ottenuti risultati di rilevanza, principalmente a causa della bassa frequenza di successo nella deposizione dei GNR.
I primi risultati rilevanti ottenuti sono la realizzazione di un transistore a effetto di campo ottenuto usando grafene cresciuto su SiC come elettrodi e GNR di tipo chevron. È stato osservato un comportamento tipico dei dispositivi FET, con un rapporto tra le correnti di on e di off di 104. Questi risultati confermano la buona affinità tra i GNR e gli elettrodi di grafene.
Un altro studio interessante su dispositivi come quelli descritti sopra è stato fatto riguardo la fotoconduttività: la presenza di un bandgap diretto nei GNR permette l’estrazione di carica da parte di un fotone incidente. È stata trovata una fotoresponsività di 6 x 105 A/W con luce nello spettro visibile/UV, questo valore è diversi ordini di grandezza rispetto al grafene puro(che non ha bandgap).
Infine è stata implementata la tecnica dell’elettroburning degli elettrodi di grafene, che permette la creazione di elettrodi separati da spaziature di solo 10-50 nm, valida per contattare direttamente i singoli GNR, evitando contatti GNR/GNR. Viene riportato uno studio sistematico fatto su dispostivi con questo tipo di elettrodi usando GNR di diversa morfologia(GNR con bordo di tipo armchair, AGNR, con differente larghezza N, dove N=5,9,10 indica il numero di atomi di carbonio in una sezione laterale dei ribbon). Alla diversa morfologia corrispondono diverse proprietà elettroniche(in particolar modo il bandgap), viene dimostrato dal lavoro riportato come il comportamento elettronico dei dispostivi realizzati con differenti GNR è diverso, in accordo qualitativo con le bandgap calcolate teoricamente per i differenti GNR.
I risultati riportati dimostrano l’enorme potenziale di questo tipo di dispositivi per applicazioni di nano-elettronica, fotonica, opto-elettronica e sensoristica.
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Abstract
Graphene exceptional electrical proprieties can lead to the realization of high performance graphene-based electronic, photonics and optoelectronics devices. However, the lack of a bandgap hinders its usage for a transistor type device, in which a suitable bandgap is essential. Quantum confinement and edge effects can introduce a direct bandgap in graphene lateral confined structure. Because not only the lateral confinement but also edge effect concourse to the origin of the energy bandgap in graphene nano-ribbon (GNR) have an atomically precise definition of the size and shape is crucial for practical applications. While different top down approach are used (lithography patterning of pristine graphene or unzipping of single walled carbon nanotube) only a chemical precise synthesis allow the fabrication of GNR give the require precision.
The exceptional electrical characteristics of graphene and its electrical affinity with other carbon-based structure (as the GNRs) allow employing the graphene as a transparent electrode to contact other low-dimensional materials. To contact low dimensional materials a narrow gap must be open in a graphene device. Here we present the techniques and facilities needed to fabricate micrometric size graphene electrodes with nanometric gap. The graphene electrodes realization via electron beam lithography (EBL), reactive ion etching (RIE) and metal evaporation will be described in detail. Both morphological(AFM,Raman) and transport characterization technique of the graphene are reported and the results are shown in the thesis.
The first devices tested are made with exfoliated graphene as electrodes and GNRs grown in liquid solution and deposited on the graphene flakes with drop cast technique. Those method did not give results of relevance, mainly to the low success rate of the GNR transfer and the instability of the devices.
The first notable result we obtained is a field-effect transistor type device. We test multiple device with graphene grown on carbon face of SiC as electrode and chevron type GNR as contact, and we see a FET behaviour, with on/off current ratio as high as 104. Those results confirm the good affinity between the GNRs and the graphene electrodes.
Other interesting study we made is about the photoconductivity of the GNR in a device made with graphene electrical contact: the presence of a direct band-gap allow the excitation of the electron by a photon. We discovered in our devices a photoresponsivity of 6 x 105 A/W in the visible-UV range, which is order of magnitude higher than pristine (with no bandgap) graphene sheets.
Finally, by employing the electroburning technique, we fabricate graphene electrodes separated by a gap of 10-50 nm, suitable to contact individual or few GNRs. We report a systematic study using GNR with different morphologies (nano-ribbons with armchair-type edges, AGNR, and different width N, where N = 5,9,10 being the integer number of Carbon atoms across the GNR width) corresponding to different electrical properties. We show that the electrical behavior of the devices is in qualitative agreement with the expected band-gap as calculated by theory.
The result we show demonstrate the huge potentiality of these devices for novel application in nano-electronic, photonics, opto-electronics and sensing.
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