Grafen transistorer med hög laddningsbärar rörlighet och ett ferroelektriskt inducerat bandgap

Forskningsprojekt, 2015 – 2017

Grafen förutspås vara ett material med goda möjligheter att revolutionera utvecklingen av framtidens elektronik. Grafen producerades för första gången 2004 av Andre Geim och Konstantin Novoselov vid University av Manchester och består av ett enda lager av kolatomer organiserade i ett hexagonalt mönster. Detta material är föremål för global forskning som syftar till att utnyttja dess extraordinära elektriska, optiska, mekaniska och termiska egenskaper som potentiellt gör det till ett mer effektivt val i elektronik jämfört med kisel. I synnerhet kan kretsar baserade på grafen möjliggöra snabbare sändning av stora datamängder på grund av den extremt höga rörligheteten för elektroner i grafen. Det innebär att möjligheten uppstår att utveckla transistorer för användning vid mycket höga frekvenser, i det så kallade terahertz frekvensbandet, som hittills har varit svårtillgängligt för applikationer. Terahertz frekvensbandet, 0.1-30 THz, är en del av det elektromagnetiska spektrumet som ligger mellan mikrovågor och infraröd strålning. En terahertz (THz) motsvarar en biljon oscillationer per sekund. Det finns många fördelar med att använda terahertz frekvensbandet för applikationer inom olika tillämpningsområden. Terahertzområdet är dock fortfarande ett av de minst utnyttjade elektromagnetiska banden. Den första grafentransistorn demonstrerades 2007. Hittills är prestandan hos grafentransistorer som arbetar vid höga frekvenser under potentialen på grund av avsaknaden av ett energibandgap i grafen. I detta projekt föreslår vi lösningen att introducera ett artificiellt bandgap genom att kombinera grafen med ferroelektriska material. Ferroelektriska material är dielektriska material som har ett inbyggt elektriskt fält, vilket kan vara mycket hög. Teoretiska överväganden visar till exempel att i grafen som placeras ovanpå LiNbO3 kan ett relativt stort bandgap induceras på grund av det inre fältet i det ferroelektriska materialet. Under projektets gång planerar vi att utveckla grafentransistorer på ferroelektriska substrat som kan arbeta vid mycket höga frekvenser. Dessa transistorer kommer att utnyttja de unika egenskaperna hos grafen för framtida applikationer inom högfrekvenselektronik. Detta möjliggör en överbryggning av det så kallade "terahertz gapet" och kan därmed öppna upp för snabba framsteg inom olika spännande, avancerade terahertz applikationer. Dessa inkluderar astrofysik, planetär- och geovetenskap, informations-och kommunikationsteknik, biologi och medicin, icke destruktiv provtagning, nationell säkerhet, kvalitetskontroll av livsmedel och jordbruksprodukter, global miljöövervakning, ultrasnabba datorer etc. De här grafentransistorerna placerade på ferroelektriska material kommer att tillverkas i renrummet inom Chalmers Nanotekniklaboratorium med moderna processtekniker for mikro-och nanofabrikation.