متن مقاله / گزارش

استفاده از مترولوژی در مقیاس اتمی برای طراحی ادوات گرافنی

تاریخ : 1394/12/24 تعداد بازدید : 1778 دسته بندی : استانداردسازی
گرافن ماده شگفت‌انگیزی است که کاربردهای متعددی در حوزه‌هایی نظیر نانوالکترونیک دارد. با وجود قابلیت‌های این ماده، گرافن از حساسیت بالایی نسبت به برهم‌کنش با دیگر مواد مورد استفاده در محصول نهایی برخوردار است. برای مثال، خواص زیرلایه یا دی‌الکتریک مورد استفاده در یک ابزار، تاثیر زیادی روی خواص گرافن دارد. برخلاف دیگر ادوات الکترونیک نیمه‌هادی که زیرلایه مورد استفاده در آنها پنهان بوده و خواص میکروسکوپی و انتقال الکترون آن به‌صورت مستقیم قابل بررسی نیست، در ادوات گرافنی می‌توان به‌صورت مستقیم و با استفاده از تجهیزاتی نظیر میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM) و طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی (STS)، این خواص را مورد بررسی قرار داد. برخی از خواص منحصر به فرد گرافن نشأت گرفته از پایداری شیمیایی و برهم‌کنش ضعیف این ماده با محیط‌زیست است. با استفاده از این طبیعت منحصر به فرد گرافن می‌توان دریافت که چرا سرعت انتقال الکترون در این ماده بالاست در حالی که تنها یک لایه دارد. هرچند برهم‌کنش گرافن با محیط اطراف بسیار ضعیف است اما همین برهم‌کنش اندک نیز تعیین‌کننده ویژگی‌های ادوات گرافنی است. برای کنترل این برهم‌کنش، ابتدا باید بتوان آن را اندازه‌گیری کرد.
هرچند STM اخیرا برای مطالعه ادوات گرافنی مورد استفاده قرار گرفته است اما درک اثرات پخش الکترون و ناهنجاری‌های موجود در این حوزه برای دانشمندان چالش برانگیز بوده است. هر بخش از گرافن دارای رفتار منحصر به فرد خود بوده و اغلب به سختی می‌توان یک رفتار عمومی برای این ماده مشاهده کرد.
اخیرا مقاله‌ای با عنوان " تحول مطالعات منطقه ای گرافن در حضور میدان مغناطیسی از پراکندگی رزونانس تا نقاط کوانتومی" در نشریه Nature منتشر شده‌است که در آن محققان موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) به رهبری سویونگ جانگ و گروگری روتر، اقدام به ارائه جزئیات میکروسکوپی از برهم‌کنش گرافن با زیرلایه خود نمودند.
گرافن مانند یک پیست مسابقه است که الکترون‌ها با سرعت بالایی در آن در حال حرکت هستند. سرعت حرکت الکترون در گرافن 100 برابر بیشتر از سیلیکون است. اما ساخت ادوات گرافنی چالش برانگیز است. زیرا تحقیقات اخیر نشان داده است که زیرلایه بر سرعت حرکت الکترون در گرافن اثر می‌گذارد و در واقع محدودیت‌هایی در سرعت الکترون ایجاد می‌کند. بنابراین، خواص ایده‌آل گرافن زمانی به‌دست می‌آید که گرافن به‌صورت ایزوله از محیط اطراف قرار داشته باشد.
نیکولای ژنتنف، رهبر گروه تحقیقاتی CNST، می‌گوید: « با استفاده از طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی ما می‌توانیم اطلاعات میکروسکوپی ارزشمندی درباره خواص بخش‌های مختلف گرافن به‌دست آوریم. ما برای اولین بار کوانتیزاسیون مغناطیسی را در ادوات گرافنی نشان دادیم. در مقایسه با فعالیت‌های قبلی، ما برای اولین بار نشان دادیم که ترکیب اعمال میدان مغناطیسی و فرآیند مطالعه منطقه‌ای گرافن امکان‌پذیر است.»

در این پروژه محققان یک ساختار ساندویچی ساختند که در آن لایه‌های نیمه‌هادی و عایق به‌صورت ساندویچی قرار داشتند. در این ساختار، یک لایه گرافن و یک لایه عایق به‌صورت یک در میان قرار دارد. زمانی که زیرلایه رسانا باردار شود، موجب اعمال بار مخالف روی گرافن می‌شود. ژنتنف می‌گوید: « ما در ابتدا دیدیم که دانسیته حاملین با حرکت روی گرافن تغییر می‌کند. تغییر دانسیته به دلیل پتانسیل ناهنجاری روی سطح گرافن است که ریشه این ناهنجاری، وجود ناخالصی‌های باردار در عایق SiO2 است. از دیگر عوامل موثر در بروز ناهنجاری، میتوان به گیر افتادن الکترون میان گرافن و لایه اکسیدی در هنگام فرآیند تولید اشاره کرد.»

filereader.php?p1=main_0a113ef6b61820daa

ژنتنف می‌افزاید: « در دانسیته‌های پایین ما نمی‌توانیم به دانسیته صفر برسیم در عوض، نشانه عبور حاملین بار از یک نقطه به نقطه دیگر قابل مشاهده بوده و نقشه‌ای از حرکات الکترون و حفره قابل ترسیم است. در کنار نوسانات دانسیته، ناهنجاری نشان دهنده این حقیقت است که حرکت الکترون و حفره چگونه می‌تواند موجب پراش یا محدود شدن الکترون در یک منطقه شود. این ویژگی تنها برای گرافن مصداق ندارد بلکه برای هر ماده نیمه‌هادی و رسانا این پدیده صادق است. با این حال باید گفت که گرافن از جمله معدود موادی است که در آن رابطه میان ناهنجاری و خواص انتقال با استفاده از مطالعات میکروسکوپی قابل بررسی است. این موضوع به‌ویژه در طیف الکترونی بیشتر دیده می‌شود جایی که ما می‌توانیم نقش ناهنجاری را روی چگونگی حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها بررسی کنیم.»
در غیاب میدان مغناطیسی، ناهنجاری می‌تواند موجب پراش حاملین بار شده و در قسمت‌های مختلف گرافن حفره‌هایی را ایجاد کند که این حفره‌ها موجب کاهش سرعت حرکت حاملین می‌شود. در حضور میدان مغناطیسی قوی، حاملین بار می‌توانند به‌طور کامل در قله‌ها و چاه‌های پتانسیل ناهنجاری به دام افتند.
تیم تحقیقاتی NIST معتقداند که متدولوژی مورد استفاده در این پروژه می‌تواند به‌صورت مستقیم برای مشخصه‌یابی ادوات گرافنی مورد استفاده قرار گیرد. این کار به ما کمک می‌کند تا دریابیم که چرا این ادوات کار می‌کنند و چرا گاهی کار نمی‌کنند. بنابراین می‌توان از این ویژگی برای ایجاد خواص خاصی در گرافن استفاده کرد.
ژنتنف می‌گوید: « حوزه تحقیقات مربوط به گرافن به سرعت در حال رشد است بنابراین، به سختی می‌توان آینده این حوزه را پیش‌بینی کرد. آنچه که مشخص است این است که برخی خواص گرافن را با استفاده از برهم‌کنش این ماده با محیط اطراف و زیرلایه می‌توان تعیین کرد؛ بنابراین، این از ویژگی‌های قابل مهندسی کردن در مقیاس نانومتری هستند. نتیجه این که مترولوژی مقیاس اتمی می‌تواند نیرو محرکه طراحی هوشمند ادوات گرافنی باشد.»


منبع: ‌