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 www.nanotechnology.hu 1
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
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
Nanoszerkezetek Osztály kutatási témák 4
Honlap www.nanotechnology.hu 5
Click into image to start animation
Click into image to start animation
8 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
9 Modellezési technikák Elektonszerkezet és transzport számolások Tight-Binding módszer Sűrűségfunkcionál módszer (DFT) VASP (szuperszámítógép Koreában) Hullámcsomag dinamika (WPD)
Hullámcsomag dinamika (WPD) 1D 2D Click into image to start animation Click into image to start animation 10
11 Hullámcsomag dinamika (WPD) bejövő HCS Rendszer 1D szórt HCS Valószínűségsűrűség V(r) ψ(r,t) Valószínűségi áramsűrűség Sajátenergiák, sajátfüggvények
12 Grafén Hogyan módosítják a pont- és vonalhibák a grafén elektronszerkezetét? A grafén megmunkálása nanoskálán
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.
Grafén-történelem K. S. Novoselov, A. K. Geim, et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films Science22,306,666 669(2004) Nobel-díj 2010 "for groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene"
Moore törvény
Grafén Si összehasonlítás Töltéshordozók mozgékonysága 200.000 cm 2 /Vs (Si: 1400 cm 2 /Vs) Töltéshordozó sűrűség 3 x 10 12 cm -2 (Si: 1.3 x 10 10 cm 3 sajátvezetés) Áramsűrűség 2.3 10 9 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!!)
Grafén CVD növesztés
Grafén CVD növesztés Akár 30 inch átmérőjű vagy még nagyobb minták készítése! Hátrány: A mobilitás nagyságrendekkel kisebb mint az exfoliált grafén esetében!
Grafén előállítás CVD (Chemical Vapor Deposition) P. Nemes-Incze et al., Appl. Phys. Lett. 99, 023104 (2011) Kristályhibák grafénban 20
Hogyan módosítják a pont és vonalhibák a grafén elektronszerkezetét? A grafén réteg E v k F? Pont- és vonalhiba grafénben 21
DFT (VASP) 22 1. Ponthiba: vakancia Ugeda et al., PRL 104, 096804 (2010) Elmélet Számolt STM kép Mért STM kép Erős szórócentrumok
23 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
A rendszer potenciál modellje Fémes STM tű + grafén STM tip -9.81 ev 0.0 ev graphene A. Mayer, Carbon 42, 2057 (2004) 24
A hullámcsomag időfejlődése Click into image to start animation XZ keresztmetszet XY keresztmetszet (grafén sík) P. Vancso et al., Eur. Phys. J. B 85, 142 (2012) 25
Anizotróp szétfolyás E=+2.6 ev Trigonal warping E = EF? G. I. Márk et al., Phys. Rev. B 85, 125443 (2012) 26
27 Landauer kép tartály tű 1 csatorna SGC tartály grafén 2
28 2. Vonalhibák: szemcsehatárok C. Hwang et al., J. Phys. Chem C 115, 22369 (2011) P. Nemes-Incze et al., Appl. Phys. Lett. 99, 023104 (2011)
Periodikus és amorf szemcsehatár STM kép grafiton J. Červenka et al., Nat. Phys. 5, 840 (2009) STM CVD grafénen Lokalizált állapotok statisztika 29
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) 30
Rendezetlen grafén szemcsehatárok elekronszerkezete DFT szimuláció Periodikus Kiinduló (periodikus) geometria Relaxált hibás geometriák DOS a szemcsehatárokon 31
STM DFT összehasonlítás
Grafén nanoszerkezetek
Grafén nanoszerkezetek a két paraméter
STM litográfia Grafén nanoszalagok L. Tapasztó et al. Nature Nanotechnology, 4, 937 (2008) 8 nm széles karosszék cikcakk nanoszalag 35
36 STM litográfia Világrekord: legvékonyabb nanoszalag
37 Anizotróp kémiai marás graphene SiO 2 SiO 2 700 o C, Argon P. Nemes-Incze, et al. Nano Research 3 (2010) 110
38 Anizotróp kémiai marás ( cikcakk szélű nanoszalagok) AFM tűvel szúrt lyukak
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) 39
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 40
41 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!
Lehet-e tökéletes nanotechnológiai eszközöket készíteni tökéletlen grafénból? Van rá lehetőség, de ehhez az élek és a szemcsehatárok szerkezetét kézben kell tartani!
Honlap www.nanotechnology.hu 43
44 Köszönöm a figyelmet! The work was supported by: Korea Hungary Joint Laboratory for Nanosciences OTKA-NKTH K 67793 EU FAEMCAR project
Ponthibák keltése Ar + ionok besugárzásával Kisdózisú: 30keV, 5x10 11 ion/cm 2 optikai mikroszkóp kép STM kép 6x6nm 2 STM kép 20x20nm 2 szóródás a hibákon K és K között (intervalley) harmadára csökkent Fermi sebesség! (t 0 =2.7eV t 0 =1eV) Tapaszto et al., Phys. Rev. B 78, 233407 (2008) 45
46 Small graphene clusters (SGC) tip SGC graphene c SGC m, n SGC m, n r tip r
47 Continuum plate mechanical description of graphene Graphene nanoripples and continuum mechanics STM experiments Continuum mech. theory t = 3.35 Å, L = 5 nm, ε = 2%, ν = 0.16 λ exp = 0.7 nm, A exp = 0.5 Å λ theor = 4.2 nm, A theor = 2.6 Å Breakdown of Continuum Mechanics!