Grafen representerar idag ett av de mest dynamiska forskningsområdena inom nanovetenskapen. Anledningen är att grafen anses ha stora potentiella tillämpningar för ny elektroniska kretsar med sin höga laddningsmobilitet och ideala strukturella egenskaper (lättviktsmaterial och flexibelt). Ur teoretisk synvinkel så representerar grafen ett idealt fall för att testa och förutspå nya elektroniska och strukturella effekter som ej går att erhålla med konventionella material. 

Den atomära strukturen för grafen illustreras i Fig. 1a och 1b visar en tunnelmikroskopibild (STM) tagen på ett lager grafen som växts på en yta av kiselkarbid.

Fig. 1a och 1b visar en tunnelmikroskopibild (STM) tagen på ett lager grafen som växts på en yta av kiselkarbid

Fig. 1. a) Modell av den hexagonala atomära strukturen för ett lager grafen. b) STM bild över en yta av storleken 2x2 nm2 uppmätt på ett grafenlager.

Forskning på grafens elektroniska och strukturella egenskaper har följt två parallella spår. Det ena är studier av mekaniskt exfolierade skikt från grafit. Därvid skalar man mekaniskt av grafen-flagor (typiskt upp till mikrometer-storlek, se Fig. 2(a)) från kristaller/prover av grafit och överför på olika sätt till lämpliga substrat. När man sedan lyckats identifiera att grafen lager erhållits med hjälp av optisk mikroskopi, så kan metallkontakter appliceras för studier av transportegenskaper. I det andra spåret försöker man istället växa grafen, som stora homogena lager, direkt på substrat av isolatorer eller halvledare, vilket illustreras Fig. 2 (b)-(c). När man lyckats med det så kan erhållna grafen-lager mönstras med konventionella litografiska metoder och metallkontakter appliceras för att framställa elektroniska kretsar. När man beaktar möjlig växelverkan mellan grafen och substrat så är det anmärkningsvärt att mono- och multi-lager av grafen växta på substrat av kiselkarbid (SiC) uppvisar liknande elektroniska egenskaper som ett isolerat lager av grafen. Man kunde ju tänka sig att substratet skulle påverka grafens unika elektroniska egenskaper. Att så inte är fallet är anledningen till varför grafen tillväxt på SiC har kommit i fokus i forskningsansträngningarna som en möjlig/lämplig väg mot ny elektronik som baseras på grafen. Detta är i sig lyckosamt eftersom SiC är en robust halvledare med stort bandgap och har unika egenskaper som sträcker sig från inert till biokompatibelt och är ett utmärkt material för applikationer vid höga temperaturer och höga effekter. Elektronik baserad på grafen skulle förutom högre prestanda också ge väsentligt lägre energiförluster än konventionell elektronik.

Mekaniskt exfolierad grafenFig. 2. (a) Mekaniskt exfolierad grafen flaga visualiserad med AFM [2]. LEEM bild av grafen växt på SiC(0001) genom (b) värmning till 1310°C i vakuum, [3] samt (c) genom värmning i en ugn till 2000°C och i Ar-gas vid atmosfärstryck [1,4]. Notera att i (b) är bildens diameter 5 µm och i (c) är den 50 µm.

För en storskalig integration av grafen baserad nano-elektronik så spelar möjligheterna: att modifiera elekronbandstrukturen, att kontaktera grafen, att ha tillgången till grafen lager av hög kvalitet (stora homogena lager) på lämpligt substrat lika viktiga roller. Elektronbandstrukturen för ett rent isolerat lager grafen klassificerar grafen som en halvledare med noll bandgap (Fig. 3(a)). Vissa applikationer kräver dock ett bandgap mellan de båda banden vilket illustreras i Fig. 2(b)-(d). Ett sätt att producera ett sådant bandgap är att på ett kontrollerat sätt växa mer än ett lager grafen och ett annat sätt är att skära ut en smal remsa i grafenlagret, med en bredd på mindre än 100 nm, och därigenom begränsa elektronerna och hålen till en ”kvantbox” som splittrar upp de båda energibanden. Därvid kan dock de elektroniska egenskaperna ytterligare ändras eftersom yttillstånden som därvid skapas vid remsans kanter är kemsikt aktiva och kan reagera med element i omgivningen. Nyligen publicerade resultat visar dock att storleken på bandgapet också kan kontrolleras genom att tillföra väte på ytan av grafen och genom att variera mängden av adsoberat väte. Detta visar att det är möjligt att skräddarsy bandgapet utan att man behöver skära grafen i smala remsor.

Bandstrukturen nära Dirac-punkten EDFig. 3.  för 1 (a) till 4 (d) lager av grafen på SiC(0001) [5].

Att tillföra atomärt väte till grafen är dock ej en enkel uppgift. Därför skall vi försöka hitta ett sätt att modifiera bandstrukturen och saturera yttillstånden på ett enklare sätt med hjälp av andra adsorbat. Att finna ut sätt att erhålla och klassificera goda metalliska kontakter till grafen är en ytterligare sak som finns ett akut behov av. Speciellt för epitaxiellt växta grafenlager så kan substratet ge bidrag av kritisk betydelse beroende på vilken metall som väljs. Tack vare sina unika elektroniska och strukturella egenskaper så är dessutom grafen av stort intresse för användning också inom sensorapplikationer, i studier av adsorptionsfenomen från atomer till biomolekyler.

Referenser:
[1]. C. Virojanadara, R. Yakimova, J. R. Osiecki, M. Syväjärvi, R. I. G. Uhrberg, L. I. Johansson and A. A. Zakharov, Surf. Sci. Lett. L87-L90 (2009)
[2]. A.K. Geim and K. S. Novoselov, Nature Mat. 6, 183 (2007)
[3]. T. Ohta, F. El Gabaly, A. Bostwick, J. L. McChesney, K. V. Emtsev, A. K. Schmid, Th. Seyller, K. Horn, and E. Rotenberg, New J. Phys. 10, 023034 (2008)
[4]. C. Virojanadara, M. Syväjärvi,, R. Yakimova, L. I. Johansson, A. A. Zakharov, T. Balasubramanian, Phys. Rev. B 78, 245403 (2008)
[5]. T. Ohta, A. Bostwick, J. L. McChesney, Th. Seyller, K. Horn, and E. Rotenberg, Phys. Rev. Lett. 98, 206802 (2007)

Senaste publikationer

För full publikationslista, se länk till DiVA nedan.

2016

M.Caffrey Nuala, Leif I Johansson, Chao Xia, Rickard Armiento, Igor Abrikosov, Chariya Jacobi

Structural and electronic properties of Li-intercalated graphene on SiC(0001)

Ingår i Physical Review B: covering condensed matter and materials physics

Artikel i tidskrift

2015

Somsakul Watcharinyanon, Chao Xia, Yuran Niu, Alexei A. Zakharov, Leif I Johansson, Rositsa Yakimova, Chariya Virojanadara

Soft X-ray Exposure Promotes Na Intercalation in Graphene Grown on Si-Face SiC

Ingår i Materials

Artikel i tidskrift

Jr-Tai Chen, James W. Pomeroy, Niklas Rorsman, Cha Xia, Chariya Virojanadara, Urban Forsberg, Martin Kuball, Erik Janzén

Low thermal resistance of a GaN-on-SiC transistor structure with improved structural properties at the interface

Ingår i Journal of Crystal Growth

Artikel i tidskrift

Chao Xia, Leif I Johansson, Yuran Niu, Lars Hultman, Chariya Virojanadara

Effects of aluminum on epitaxial graphene grown on C-face SiC

Ingår i Journal of Applied Physics

Artikel i tidskrift

Leif I Johansson, Chao Xia, Chariya Jacobi

Li induced effects in the core level and pi-band electronic structure of graphene grown on C-face SiC

Ingår i Journal of Vacuum Science & Technology. A. Vacuum, Surfaces, and Films

Artikel i tidskrift