Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?"

Klára Fazekasné
9 évvel ezelőtt
Látták:

1 Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból? Márk Géza, Vancsó Péter, Nemes-Incze Péter, Tapasztó Levente, Dobrik Gergely, Osváth Zoltán, Philippe Lamin, Chanyong Hwang, Biró László Péter MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet Korea-Hungary Joint Laboratory for Nanosciences Magyar Fizikus Vándorgyűlés, augusztus 21-24, Debrecen 1

Lamin, Chanyong Hwang, Biró László Péter MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet

2 Vázlat Az MTA TTK MFA (Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet) Nanoszerkezetek Osztálya Grafén kutatás irány a grafén nanoelektronika! Hogyan befolyásolják a pont- és vonalhibák a grafén elektronszerkezetét és transzport tulajdonságait? A grafén nanoskálájú megmunkálása 2

3 MFA Nanoszerkezetek Osztály Kutatók (PhD) Osztályvezető: Prof. Biró László Péter, DSc Horváth Enikő Horváth Zsolt Endre Kertész Krisztián Koós Antal Adolf Márk Géza István Nemes-Incze Péter Osváth Zoltán Tapasztó Levente Vértesy Zofia Összesen 18 (ebből 4 távol) Ph.D. hallhatók / diplomamunkások Dobrik Gergely Neumann Péter Lajos Pataki Bernadeth Tamáska István Vancsó Péter Magda Gábor Obreczán Vince (diplomamunkás) Piszter Gábor (diplomamunkás) 3

Nemes-Incze Péter Osváth Zoltán Tapasztó Levente Vértesy Zofia Összesen 18 (ebből 4 távol) Ph.D.

4 Nanoszerkezetek Osztály kutatási témák 4

5 Honlap 5

6 Click into image to start animation

7 7 Főbb kísérleti eszközök Pásztázószondás mikroszkópok Bruker Multimod 8 Nanoscope (STM/AFM) Veeco Multimod 3A Nanoscope (STM/AFM) WiTec Confocal Raman Microscope (Alpha300 RSA+) LEO 1540 XB FESEM / FIB Nanomachining and Observation System Bruker AXS D8 Discover X-Ray Diffractometer

Confocal Raman Microscope (Alpha300 RSA+) LEO 1540 XB FESEM / FIB

8 8 Modellezési technikák Elektonszerkezet és transzport számolások Tight-Binding módszer Sűrűségfunkcionál módszer (DFT) VASP (szuperszámítógép Koreában) Hullámcsomag dinamika (WPD)

9 9 Hullámcsomag dinamika (WPD) 1D

10 10 Hullámcsomag dinamika (WPD) két dimenzió idő

11 11 Hullámcsomag dinamika (WPD) bejövő HCS Rendszer 1D szórt HCS Valószínűségsűrűség V(r) ψ(r,t) Valószínűségi áramsűrűség Sajátenergiák, sajátfüggvények

12 12 Grafén Hogyan módosítják a pont- és vonalhibák a grafén elektronszerkezetét? A grafén megmunkálása nanoskálán

13 A grafén A grafén: szénatomok hatszöges rácsából álló, 2 dimenziós kristály. A világ legvékonyabb anyaga, egyetlen atom vastag. Tulajdonságai: jó elektromos vezető, jó hővezető, nagy az elektronok koherencia hossza, nulla tiltott sávú félvezető, különleges az elektronszerkezete, kimagasló mechanikai tulajdonságok, stb.

Tulajdonságai: jó elektromos vezető, jó hővezető, nagy az elektronok koherencia

14 Grafén-történelem K. S. Novoselov, A. K. Geim, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films Science22,306, (2004) Nobel-díj 2010 "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"

Science22,306,666 669(2004) Nobel-díj 2010 "for

16 Moore törvény

17 Grafén Si összehasonlítás Töltéshordozók mozgékonysága cm 2 /Vs (Si: 1400 cm 2 /Vs) Töltéshordozó sűrűség 3 x cm -2 (Si: 1.3 x cm 3 sajátvezetés) Áramsűrűség A/cm 2 (Si: 3x 10 5 A/cm 2 tranzisztoron) Hővezetés 5000 Wm -1 K -1 (Si: 163 Wm -1 K -1 szobahőmérséklet) (disszipáció nano-méretekben!!)

3 x 10 10 cm 3 sajátvezetés) Áramsűrűség 2.

18 Grafén CVD növesztés

19 Grafén CVD növesztés

20 Grafén CVD növesztés Akár 30 inch átmérőjű vagy még nagyobb minták készítése! Hátrány: A mobilitás nagyságrendekkel kisebb mint az exfoliált grafén esetében!

21 Grafén előállítás CVD (Chemical Vapor Deposition) P. Nemes-Incze et al., Appl. Phys. Lett. 99, (2011) Kristályhibák grafénban 21

22 Hogyan módosítják a pont és vonalhibák a grafén elektronszerkezetét? A grafén réteg E v k F? Pont- és vonalhiba grafénben 22

23 DFT (VASP) Ponthiba: vakancia Ugeda et al., PRL 104, (2010) Elmélet Számolt STM kép Mért STM kép Erős szórócentrumok

24 24 STM tű, mint ponthiba Az STM tű megtöri a grafén rács transzláció szimmetriáját Hogyan alagutazik át egy elektron az STM tűből a grafénra? STM tű

25 A rendszer potenciál modellje Fémes STM tű + grafén STM tip ev 0.0 ev graphene A. Mayer, Carbon 42, 2057 (2004) 25

26 A hullámcsomag időfejlődése 26

27 Anizotróp szétfolyás E=+2.6 ev Trigonal warping E = EF? G. I. Márk et al., Phys. Rev. B 85, (2012) 27

28 28 Landauer kép tartály tű 1 csatorna SGC tartály grafén 2

29 29 2. Vonalhibák: szemcsehatárok C. Hwang et al., J. Phys. Chem C 115, (2011) P. Nemes-Incze et al., Appl. Phys. Lett. 99, (2011)

30 Periodikus és amorf szemcsehatár STM kép grafiton J. Červenka et al., Nat. Phys. 5, 840 (2009) STM CVD grafénen Lokalizált állapotok statisztika 30

31 Amorf szemcsehatár vonalhibák a CVD grafénben T = 4K K-K szóródás Intervalley scattering szuperstruktúra: 0.43 nm atomi távolság: 0.25 nm P. Nemes-Incze et al, Carbon (in press) 31

32 Rendezetlen grafén szemcsehatárok elekronszerkezete DFT szimuláció Periodikus Kiinduló (periodikus) geometria Relaxált hibás geometriák DOS a szemcsehatárokon 32

33 STM DFT összehasonlítás

34 Grafén nanoszerkezetek

35 Grafén nanoszerkezetek a két paraméter

36 STM litográfia Grafén nanoszalagok L. Tapasztó et al. Nature Nanotechnology, 4, 937 (2008) 8 nm széles karosszék cikcakk nanoszalag 36

37 37 STM litográfia Világrekord: legvékonyabb nanoszalag

38 38 Anizotróp kémiai marás graphene SiO 2 SiO o C, Argon P. Nemes-Incze, et al. Nano Research 3 (2010) 110

39 39 Anizotróp kémiai marás graphene SiO o C, Argon P. Nemes-Incze, et al. Nano Research 3 (2010) 110

40 40 Anizotróp kémiai marás ( cikcakk szélű nanoszalagok) AFM tűvel szúrt lyukak

41 Anizotróp kémiai marás ( cikcakk szélű nanoszalagok) 41

42 Anizotróp kémiai marás ( cikcakk szélű nanoszalagok) 42

43 Nanoskálájú periodikus hullámzás a grafénen (feszültség mérnökség) Cu (111) réz egykristály árkokkal L. Tapasztó et al. Nature Physics, 8, 739 (2012) 43

44 Nanoskálájú periodikus hullámzás a grafénen (feszültség mérnökség) LDOS Cu (111) single crystal with trenches λ exp = 0.7 nm, A exp = 0.5 Å L. Tapasztó et al. Nature Physics, 8, 739 (2012) 44

eredményt ad atomi szintű szimuláció jól leírja az

45 Nanoskálájú periodikus hullámok a grafénen Klasszikus kontinuum mechanikai modell nagyságrendileg hibás eredményt ad atomi szintű szimuláció jól leírja az eredményt λ theor = 0.8 nm, A theor = 0.5 Å λ exp = 0.7 nm, A exp = 0.5 Å 45

46 Összefoglalás A kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) növesztett grafén sok amorf szemcsehatárt tartalmaz. Ezek erősen befolyásolják az elektronszerkezetet és a transzportot.

46 46 Összefoglalás A kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) növesztett grafén sok amorf szemcsehatárt tartalmaz. Ezek erősen befolyásolják az elektronszerkezetet és a transzportot. A szemcsehatár két fontos jellemzője: a szemcsék szöge és a szemcsehatár atomi szerkezete (rendezett, rendezetlen). Módszereket dolgoztunk ki a grafén atomi skálájú megmunkálására: STM litográfia és kémiai marásos módszerek. Ezzel jól meghatározott élszerkezetű és vastagságú nanoszalagokat tudtunk létrehozni. Nanoskálájú periodikus hullámokat hoztunk létre grafénen (réz hordozón). Ez tiltott sávot okoz nanoelektronikai alkalmazás!

47 Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból? Van rá lehetőség, de ehhez az élek és a szemcsehatárok szerkezetét kézben kell tartani!

48 Honlap 48

49 49 Köszönöm a figyelmet! The work was supported by: Korea Hungary Joint Laboratory for Nanosciences OTKA-NKTH K EU FAEMCAR project

Hasonló dokumentumok

Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból?

Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból? Márk Géza, Vancsó Péter, Nemes-Incze Péter, Tapasztó Levente, Dobrik Gergely, Osváth Zoltán, Philippe Lamin, Chanyong Hwang,