Grafen karbon atomunun iki boyutlu kristal halidir, sıradışı elektron hareketliliği ve diğer eşsiz özellikleri nanoboyutta elektrik ve fotonik için geleceğin en önemli malzemelerinden biri olmasını sağlıyor. Ama grafenin band aralığı yok.
ABD Ulusal Lawrence Berkeley Enerji Bölümü Laboratuvarı Malzeme Bilimleri üyesi Feng Wang “Grafenin band aralığının olmayışı elektronikte kullanımı oldukça sınırlar” dedi. Bir band aralığı için alan etkili grafen transistörürü inşa edebiliriz ama hiç band aralığı yoksa bu mümkün değildir. Band aralığını oluşturabilirsek yine transistör yapabiliriz. Wang aynı zamanda Berkeley Kaliforniya Üniversitesi’nde asistan profesördür. Wang ve onun meslektaşları 0 ile 250 meV aralığını kontrol edebilen ikili katmanlı (bilayer) grafenin band aralığını tasarladılar (250meV, 0.25 eV’a eşittir).
Şekil1: Yandaki şekilde sol tarafta mikroskop görüntüsünden ikili katmanlı (bilayer) alan etkili (FET) grafen transistörün yapısı görülmektedir. Sağ tarafta ise elemanlar tanımlanmıştır.
Şekil 2: Tek tabakanın en olağanüstü özelliklerinden biri iletim bandı ve valans bandı tek noktada birleşiyor band aralığı yok. Elektrik alanı (oklar), ikili katman yapısına asimetriyi (alttaki) oluşturur. Seçici olarak (Δ ) ayarlanabilen band aralığı oluştulur.
Üstelik onlar deneyi oda sıcaklığında yaptı ve hiçbir soğutma gerekmedi.Bu buluş nanotransistörün yeni türleridir. Uygulamalarının arasında bu band aralığının dar olmasından dolayı, nanoLED’ler ve kızılötesi alanda diğer nanoölçekte optik cihazlar da vardır. Araştırmacıların yaptığı bu çalışma Nature’nin 11 Haziran 2009 sayısında açıklandı.
İki Katmanlı Grafen Transistörü İnşa etmek
Bir katmanlı grafen, karbon atomlarının chickenwire şeklinde birbirine bağlanması ile oluşur, ikili katmanlı grafen ise bu iki grafen tabakasından oluşur ve band aralığı sıfır olduğundan metal gibi davranır. Ayna simetrisi olan bu katmanların bu simetrisi bozulursa band aralığı da değişeceğinden yarıiletken bir malzeme gibi davranır. Daha önce de 2006 yılında Berkeley İleri Işık Kaynağı (ALS:Advanced Light Source) Laborotuvar’ında araştırmacılar grafenin katmanlarında kimyasal olarak metal atomlarını absorbe ederek band aralığını gördüler. Ancak bu şekilde katkı yapmak cihaz uygulamaları ile uyumlu değildir. ”İkili katmanlı grafende bir bandgap yapmak ve aynı zamanda kontrol etmek olağanüstü bir gol oldu” diye belirtti Wang ve şunu da ekledi ”Ne yazık ki kimyasal katkı yapmak kontrolsüzdür”.
Araştırmacılar daha sonra kimyasal yerine elektrik gücü ile substrata (alttaşa) doping vererek band aralığını ayarlamayı denedi. Dikey olarak uygulandı ve sürekli ayarlanabilir elektrik alanı kullanıldı. Ama böyle bir alan tek kapı (elektrot) ile uygulanır, bu ikili katman sadece bir derece kelvin sıcaklığının altında izole olur. Mutlak sıfırın yakınında bir band aralığı düşünmek teorik olanın çok aşağısında bir değerdir. Bu sonuçlarla elektroniğin neden ya da ne olduğunu anlamak zordur.
Wang ve arkadaşları band aralığını ve bu girişimi tanıtmak için önemli iki karar aldı. Birincisi iki kapılı ikili katmanlı cihazı üretmekti. Bunun için UC Berkeley Fizik bölümünden Yuanbo Zhang ve Tsung-Ta Tang görevliydi. Hangisi bağımsız takım elektronik band aralığı ayarlayabilirse inşa etme görevi ona verilecek.
Cihaz çift kapılı alan etkili bir transistördü (FET). Bu elektrik alanında kapı elektrotları ile kaynaktan kanala elektron akışını kontrol eden transistör tipidir. Onlar nanoFET’in alt kapısı olarak silisyum yüzeyi kullandı ve o yığılmış grafen yüzeyleri arasına yalıtılmış silisyum oksit tabakasını yerleştirdi. Katı Aliminyum Oksit (safir) grafen katmana yerleştirmek için ertelendi. Bunun yerine platin kullanıldı. Transistörün üst kapısı platin olmuş oldu. Araştırmacılar diğer önemli karar olarak cihazdaki voltaj değiştiği takdirde nasıl bir ilerleme ve değişim olacağını görmek istediler. Bunun yerine band aralığını ayarlamak için elektriksel direncini, taşıyıcılığını ve optik iletimini ölçmeye karar verdiler. ”Problem taşıyıcılık ölçümlerinde kusurlara karşı daha fazla hassas olmasıdır” dedi Wang. “Kirliliğin küçücük miktarı veya katkının verilmesi grafenin direncinde büyük bir değişiklik yaratabilir ve malzemenin esas davranışını gizleyebilir. Bu nedenle İleri Işık Kaynağında (ALS) optik ölçümler ile devam etmeye karar verdik”.
ALS’de kullanılan beamline-1.4 kızılötesi, ALS Fizikçi Michael Martin ve Zhao Hao Yer Bilimleri Bölümü yönetiminde, Wang ve meslektaşları senkrotron ışınını sıkı bir şekilde cihazın sağ kısmındaki çukura göndermeyi başardı. Araştırmacılar kapı elektrotlarının voltajını değiştirerek elektrik alanı ayarladığı gibi grafen yüzeylerinin içine gelen ışınlarla değişmeleri ölçebildi. Her bir spektrum içindeki emilmeye karşılık tepe noktalarında her kapı voltajı için band aralığı ile doğrudan ölçüm sağlanır.
“Prensip olarak biz 1.4 beamline kullandık. Çünkü ayarlanabilir bir lazer bu işi yapabilirmiydi bilmiyoruz ama beamline çok parlaktır ve kırılgan noktada aşağıya doğru odaklanabilir. Grafen parçasının çok küçük olduğu zamanlarda bu durum çok önemlidir” diye söyledi Wang. “Ayrıca lazerle kıyaslandığında beamline daha geniş bir frekans aralığına sahiptir ve her bir parçaya özenle uymak gerekmez bu nedenle piklerin sıklığını ayarlamak zorunda değiliz”.
İkili Katmanlı Grafen ve Yumuşak Elektronik Yapısı
ALS ölçümlerinden sonuçlar rahat ve göreceli olarak verimlilikle elde edildi. İki kapının voltajından bağımsız olduğu gösterildi. Araştırmacılar iki önemli parametre olarak band aralığının boyunu ve ikili katmanlı grafenin katkı yapma derecesini kontrol etti. Özünde yarıiletken olmayan bu malzeme sanal bir yarıiletkene dönüşebilir.
Sıradan yarıiletkenlerde iletim bandının arasındaki boşluk (elektronlar tarafından) değerlik bandının ( elektron tarafından) sınırlı olduğu, malzemenin kristal yapısından dolayı sorun olmaktan çıkar. Yine de ikili katmanlı grafende Wang ve arkadaşlarının gösterdiği gibi band aralığı değişkendir ve elektrik alanı tarafından kontrol edilebilir. Saf bir ikili katman grafenin sıfır band aralığı olmasına rağmen davranışları bir metali anımsatır. 250 meV kapılı bir ikili katman grafen band aralığına sahip olabilir ve bu şekilde yarıiletken gibi davranır.
Grafenin geniş dağılımı üzerinden band aralığının tam kontrolü ile elektriksel katkı boyunca elektronik durumlarının bağımsız iradesiyle hareketinin olmasıyla çift kapılı ikili katman grafen nano ölçekte elektronik cihazlar için son derece esnek bir araçtır.
Wang bu ilk deneme sadece başlangıç diye belirtti. “Bizim geliştirdiğimiz aygıtın elektriksel performansı yeterli değil ve o konuda verimli hâle getirme için çok yol var örneğin ölçü boyunca yüzeyi saflaştrımak gibi”.
Yine de Wang şunu söyledi “Biz keyfi olarak dikkate değer olarak oda sıcaklığında 0-250 meV arası ikili katman grafenin band aralığını değiştirebildiğimizi ve ikili katman grafenin nanoelektronikler için nasıl bir potansiyele sahip olduğunu gösterdik”. Silisyum veya Galyum Arsenür gibi ortak yarıiletkenlere göre daha dar bir band aralığı için optoelektronik aygıtların yeni türleri oluşturulabilinir.
Hazırlayan : Polat Narin – KuarkMNB
Kaynak : http://www.physorg.com/news163859660.html
