No Slide Title · G MT h ¦ Formuła Landauera ... DFT –teoria funkcjonału gęstości ......

Z. Klusek

Oddziaływanie grafenu z metalami

prof. dr hab. Zbigniew Klusek

Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytet Łódzki


Z. Klusek

Transport dyfuzyjny

Transport kwantowy – balistyczny

Grafen – dla czego intryguje ?

U VE

d cm

d cmv

t s

en v

E


Grafen – dlaczego intryguje ?

Z. Klusek

żródło dren

kanał

G

S

D

Tranzystor typu MOSFET

bramka

Nowa idea

kanał tranzystorawykonany z grafenu

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

Pasmo przewodnictwa

Pasmo walencyjne

1 0


Z. Klusek

Tranzystory pracujące z częstością giga herców

Z. Klusek

Tranzystory bipolarne

(n-p-n) or (p-n-p)

Tranzystory unipolarne

FET

Elektronika analogowa


Z. Klusek

FET GFET

G

S

DG

S

D

Elektronika ambipolarna

Grafenowe układy scalone


fT częstotliwość odcięciagm wewnętrzna transkonduktancjaCGS pojemność bramka-źródłoCGD pojemność bramka-drengds przewodność drenu

RS opór źródłaRD opór drenu

Z. Klusek

1

2 1

mT

GS GD ds S D GD m S D

gf

C C g R R C g R R

Częstotliwość odcięcia to częstotliwość dla której wzmocnienie dąży do jedności

Częstotliwość odcięcia

Wszystkie pojemności i oporności powinny być jak najmniejsze


Z. Klusek

1

2 1

mT

GS GD ds S D GD m S D

gf

C C g R R C g R R

•Wewnętrzna transkonduktancja jak największa •Konduktancja drenu jak najmniejsza•Pojemności jak najmniejsze

•Wszystkie rezystancje jak najmniejsze

Częstotliwość odcięcia może być zmaksymalizowana

Częstotliwość odcięcia


Z. Klusek

Przewodnictwo złącza grafen-metal

We wszystkich aplikacjach wymagany jest kontakt elektryczny

Au


Z. Klusek


Rolf Landauer (1927-1999)

2

1

2 N

n

n

eG T

h

2

1

2 N

n

n

eG MT

h

Formuła Landauera


Z. Klusek

24eG TM

h

metal

SiO2

Si

TMG

TK

TMG współczynnik transmisji metal - grafenTK współczynnik transmisji w kanale

M=min{MM ,Mch }metal

SiO2

Si

MchMM

MM liczba modów przewodnictwaMch liczba modów przewodnictwa graf

Formuła Landauera


grafen


Z. Klusek

DFT – teoria funkcjonału gęstości

Rozpoczęliśmy badania od symulacji DFT

J. Slawinska, P. Dabrowski, I. ZasadaPhys. Rev. B 83 (2011)

J. Slawinska, I. Wlasy, P. Dabrowski, Z. Klusek, I. ZasadaPhys. Rev. B 85 (2012)

I. Wlasy, P. Dabrowski, M. Rogala, P.J. Kowalczyk, I. Pastrnak, W. Strupinski, J.M. Baranowski and Z. KlusekAppl. Phys. Lett. 102, 111601 (2013)


Z. Klusek

Geometria adsorpcjigrafen/Au(111) – widok z góry

Geometria adsorpcjigrafen/Au(111) – widok z boku

DFT – grafen na Au(111)


Z. Klusek

Geometria adsorpcjiGrafen/Au(111) – widok z góry.

Wprowadzono zaburzenia podłużne stałych sieci.

Geometria adsorpcjiGrafen/Au(111) – widok z boku.

Wprowadzono zaburzenia poprzeczne stałych sieci.

DFT – grafen na Au(111) poli


Z. Klusek

DFT: Oddziaływanie grafen-metal

fizysorpcjaCu(111)

czystygrafen

J. Sławińska, Rozprawa Doktorska Łódź 2012


EF

EF

EDED


Domieszkowanie typu p Domieszkowanie typu n

Z. KlusekWydział Fizyki i Informatyki Stosowanej Uniwersytet Łódzki

Z. Klusek

chemisorpcjaNi(111)

fizysorpcjaCu(111)

czystygrafen


J. Sławińska, Rozprawa Doktorska Łódź 2012


Z. Klusek

Własności elektronowe grafenu ulegają zmianie na skutek oddziaływania z metalami

Oddziaływanie grafen-metalsilne/słabe

chemisorpcja fizysorpcja

Al(111)Ag(111)Cu(111)Au(111)Pt(111)

Co(111)Ni(111)Pd(111)



Z. Klusek

Czy DFT daje poprawne rezulataty ?


Z. Klusek


[111]

[110]

[112]

Au(111)

Cu(111)

[111]

[110]

[112]

STM

STM


Z. Klusek

MG MGAu Au MG Au

Oddziaływanie grafen - Au

STM

STM STM


Z. Klusek

grafen

Au - nie Au(111)

Najprostsza wersja próbki do badań

Identyfikacja optyczna – nie możliwaSpektroskopia Ramana - wpływ oddziaływań

interfejs

Oddziaływanie grafen-Au


Z. KlusekZ. Klusek

grafen/SiO2/Si

Si(100)

SiO2

graphene

3n

2n

1n

0n

2 300d nm

1 0.34d nm

1 2 1 2 1 2 1 2

1 2 1 2 1 2 1 2

1 1 2 3 1 2 3

1 2

1 2 1 3 2 3

i i i i

i i i i

I n re r e r e r r r e

e r r e r r e r r e

1 22

1 2

n nr

n n

0 11

0 1

n nr

n n

2 32

2 3

n nr

n n

1 11

2 n d

2 22

2 n d

P. Blake, et al. Appl. Phys. Lett. 91, 063124 (2007).

Identyfikacja optyczna grafenu na SiO2


Z. KlusekZ. Klusek

1 1

1

1

1

I n I nC

I n

thickness of


P. Blake, et al. Appl. Phys. Lett. 91, 063124 (2007).


Z. KlusekZ. Klusek

grafen/SiO2/SiMikroskop optyczny



Z. KlusekZ. Klusek

grafen

dwuwarstwa

trójwarstwa

więcej niż 10



Z. Klusek

Si(100)

SiO2

Au

Cr

grafen

Au

3n

1n 0n

2n

4n

5n

Identyfikacja optyczna grafenu na Au

I. Wlasny, P. Dabrowski, Z. Klusek, arXiv:1102.4953v1 (2011).


http://arxiv.org/abs/1102.4953v1

Z. Klusek

1 2 31 2 31 2

2 3 1 3 1 2 31 21

2 3 1 332

1 1 2 3 4 1 2 3 1 3 4

1 2 4 2 3 4 1 2 1 3 1 4

21

2 3 3 4 2 4 1 2 3 4

,

1

ii ii i

i i iii

i iii

R n r r e r e r e r r r e r r r e

r r r e r r r e r r e r r e r r e

r r e r r e r r e r r r r e

1 1 1 1

1 1

1 1

1 1

I n I n R n R nC

I n R n




http://arxiv.org/abs/1102.4953v1

Z. Klusek



niebieski zielony

czerwony żółty

MGBG

Au

MGBG

Au

MGBG

Au

MGBG

Au


Z. Klusek

1000 1250 1500 1750 2000 2250 2500 2750 3000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

D'

G

HOPG

Inte

nsity (

a.u

.)

Raman shift (cm-1)

HOPG(0001)

G-band

2D-band

D-band : defekty (~1350 cm-1)G-band : drgania w warstwie (1581.5 cm-1)2D-band : od. międzywarstwowe (~2700 cm-1)

D-band

Spektroskopia ramanowska grafitu


Z. Klusek

Teoria/Eksperyment

Dr Andrea C. Ferrari

Spektroskopia ramanowska grafenu na SiO2


Z. Klusek

1 - warstwa - 1 komponent2 - warstwy - 4 komponenty

3 - warstwy - 15 komponentów ->6

Więcej niż 5 warstw

2 komponenty jak w graficie

Powszechna procedura identyfikacji

Spektroskopia ramanowska grafenu na SiO2


Z. Klusek

domieszkowanie

naprężenia

pik 2D - dodatnie przesunięcie -> typ p pik 2D - ujemne przesunięcie -> typ n

do 10 cm -1

Poszerzenie pików G i 2DPrzesunięcie piku 2D

do 50 cm -1

Spektroskopia ramanowska grafenu na Au


Z. Klusek

2D

2600 2650 2700 2750 2800

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Raman Shift [cm-1]

Inte

nsit

y [

arb

. u

nit

s] Monolayer graphene Au/SiO

2/Si

Monolayer graphene SiO2

2D

2600 2650 2700 2750 2800

0

1500

3000

4500

6000

Raman Shift [cm-1]

Inte

nsit

y [

arb

. u

nit

s]

Bilayerr graphene Au/SiO2/Si

Bilayerr graphene SiO2

grafen/Au/SiO2/Si dwuwarstwa/Au/SiO2/Si

Brak teorii oddziaływania grafenu z metalami

AuA. Sozanska, P. Dabrowski, I. Wlasny, J. Slawinska, I. Zasada, Z. KlusekXXII International Conference on Raman Spectroscopy (ICORS 2010)Boston, USA, August 8-13, 2010



Z. Klusek

G 2D

G 2D

2600 2650 2700 2750 2800

0

1500

3000

4500

6000

Raman Shift [cm-1]

Inte

nsit

y [

arb

. u

nit

s]

1540 1560 1580 1600 1620

0

1500

3000

4500

6000

Raman Shift [cm-1]

Inte

nsit

y [

arb

. u

nit

s]

2600 2650 2700 2750 2800

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Raman Shift [cm-1]

Inte

nsit

y [

arb

. u

nit

s]

1540 1560 1580 1600 1620

0

800

1600

2400

3200

Monolayer graphene Au/SiO2/Si


Raman Shift [cm-1]

Inte

nsit

y [

arb

. u

nit

s] Monolayer graphene Au/SiO

2/Si


Bilayer graphene Au/SiO2/Si

Bilayer graphene SiO2

Bilayer graphene Au/SiO2/Si

Bilayer graphene SiO2



Z. Klusek


1F F

F

L

dv vd d

dv dq Edq dq

1 1

0.08

6.5

2.41 (514 )

2680 / 2 1340 0.16632

F

L

deVA

dq

v eVA

E eV nm

cm cm eV

36.21F

F

dv d

v eV

2D 117d cm 7.6 %


Z. Klusek

1.6µm

Au

MG

BG

TGBG

1.0µm

Au

TG BG

BG MG

Istotą badanej próbki jest to, że warstwy o różnej grubości badane są jednocześnie

W dużej skali rozdzielczość pomiędzyAu, MG, BG, TG

jest bardzo słaba

Badania STM/STS grafenu na Au


Z. Klusek

MG MGAu Au

-1 0 1 2 3 4 5 6 70

150

300

450

600

750

co

un

ts

Height [nm]

graphene Au/Cr/SiO2/SiAu/Cr/SiO2 /Si

Rozkład wysokościpodłoża Au/Cr/SiO2/Si

iMG/ Au/Cr/SiO2/Si

AuMG



Z. Klusek

MG

MG MGAu Au

MG

MG Au

Obserwowano strukturę trójkątną i sześciokątną.Struktura typowa dla grafitu była obserwowana częściej.

Atomowa zdolność rozdzielcza



Z. Klusek

BG

1.0µm

Au

TG BG

BG MG

Rozdzielczość atomowa



Z. Klusek

TG

Rozdzielczość atomowa



Z. Klusek

Oddziaływanie grafen/Au - LDOS

1.0µm

BG

BG

TG

TG

MGBG

BG

MGSTM

LDOS( x,y, EF+0.010 eV)

Au

Mapy elektronowej funkcji gęstości stanów

CITS


Z. Klusek

EF-0,03 eV EF-0,07 eV EF-0,2 eV EF-0,6 eV

EF+0,03 eV EF+0,07 eV EF+0,2 eV EF+0,6 eV

MGBG

BGTG

Mapy elektronowej funkcji gęstości stanów (CITS)



Z. Klusek

, ,

, ,0 , , , ,s t s t

dT E eV zdIr eV r T eV eV z r E r E eV dE

dV dV

450 x 450 nm2

DFT

max

EF EF



Z. Klusek

EF+ 0.01 eV EF+ 0.08 eV EF+ 0.15 eV EF+ 0.27 eV

EF- 0.01 eV EF- 0.08 eV EF- 0.15 eV EF- 0.27 eV

LDOS (E, x, y) na MG/Au - obszar 100 nm x 100 nm

MG

Badania STS grafenu na Au


Z. Klusek

, ,

, ,0 , , , ,s t s t

dT E eV zdIr eV r T eV eV z r E r E eV dE

dV dV

J. Slawinska, I. Wlasy, P. Dabrowski, Z. Klusek, I. Zasada Phys. Rev. B 85 (2012)

Na ciemnoniebieskimzachowanie typowe dla MG/Au(111)

ED ED

EDED

LDOS (E, x, y) naMG/Au - obszar

100 nm x 100 nm



Z. Klusek

Au AuMG AuMG

SSNa Au

obserwowaliśmydwa zachowania



Z. Klusek

+0.20.0-0.2 +0.1-0.1

k|| [A-1]

0.3

0.4E0

0.5

0.1

EF

energy

[eV]

0.2

G S MSM

2 2

0 *( )

2F

kE k E E

m

Eo

-0.4eVEF-0.8 eV

conductance

T=4 KT=300 KT=490 K

0 0 0 1

0

0 0

1/ 22

0

*

1

exp / exp ( ) /

2 / 2

/ (1 (1 / ) /

F F

a

I G V V dE E E E

f E E E f E E E eV

mV

ed

E E d m m a

L.C. Davis, M.P. Everson, R.C. Jaklevic, W. Shen, Phys. Rev. B 43 (1991) 3821.

Stan powierzchniowy

Schockleya

Au(111)

Badania STM/STS Au


Z. Klusek

1260[nm]

0

-0.5

-1.0

+0.5

+1.0

energy

[eV]

-1.0 -0.8 -0.5 -0.3 0.0 0.3 0.5 0.8 1.0bias [V]

-0.50

-0.25

0.00

0.25

0.50

tun

ne

ling

cu

rre

nt

[nA

]

-1.0 -0.8 -0.5 -0.3 0.0 0.3 0.5 0.8 1.0bias [V]

T=493 K T=493 KT=493 K

-1.0 -0.8 -0.5 -0.3 0.0 0.3 0.5 0.8 1.0bias [V]

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

0.25

0.50

0.75

1.00

tun

ne

ling

cu

rre

nt

[nA

]

-1.0 -0.8 -0.5 -0.3 0.0 0.3 0.5 0.8 1.0bias [V]

(dI/

dV

)/(I

/V)

T=293 K T=293 K

1260[nm]

0

-0.5

-1.0

+0.5

+1.0

energy

[eV]

T=293 K

SS

SS

Au(111)

Badania STM/STS Au


Z. Klusek

Au(111) poli


LDOS (E, x, y) naMG/Au - obszar

100 nm x 100 nm



0

0

2

1 1 1,

1 4,F

C

M

E

E

edEV Eoigt E t

R h

1 2min ,

2 2 2 1 2

0

1, ,

M M

FG y

n

ndE G E E t T k E E

W W

2 2

2 2

2

2 0

1,2

1,2

1( , ) exp /

2

1 1 1

F

F

K GM

K GM

G x t x tt

t v n

EM W

v

T TT

T T

Konwolucja funkcji Gaussa o szerokości t1 i funkcji Lorentza o szerokości i energii odcięcia E0.

1 1,,FMVo g Ei t E t

21 4

C

eG TM

R h


0

0

2

1 1 1,

1 4,F

C

M

E

E

edEV Eoigt E t

R h

1 2min ,

2 2 2 1 2

0

1, , ,

M M

FG y

n

ndE G E E t T k E E

W W

FME

????Teoria

DFT

eksperymentSTS

ARPES



Z. Klusek

24eG TM

h

Formuła Landauera

M – liczba modów przewodnictwa w grafenieT – współczynnik transmisji nośników

F

F

EM W

v

W

Au poli wstrzykuje więcej nośników

FEFE

Au(111) Au poli



Z. Klusek

Podsumowanie

Własności elektronowe grafenu zmieniają się na skutek oddziaływania z podłożem

Niezaburzony grafen nie istnieje

Struktura elektronowa grafenu może byćzmieniona na skutek zewnętrznego domieszkowania


No Slide Title · G MT h ¦ Formuła Landauera ... DFT –teoria funkcjonału gęstości ......

Documents

Transcript of No Slide Title · G MT h ¦ Formuła Landauera ... DFT –teoria funkcjonału gęstości ......