Вплив доменної структури сегнетоелектричної пiдкладки на провiднiсть графену
Ключові слова:
-Анотація
Огляд присвячено останнiм теоретичним дослiдженням впливу доменної структури сегнетоелектричної пiдкладки на провiднiсть графенового каналу. Розглянутий аналiтичний опис ефектiв пам’ятi гiстерезисного типу у польовому транзисторi на основi графен-на-сегнетоелектрику, з урахуванням адсорбованих дипольних шарiв на вiльнiй поверхнi графену i локалiзованих станiв на його iнтерфейсах. Аналiзуються аспекти нещодавно розвинутої теорiї провiдностi p–n переходiв у графеновому каналi на сегнетоелектричнiй пiдкладцi, якi створенi 180-градусною сегнетоелектричною доменною структурою, причому розглянутi випадки рiзних режимiв струму, вiд балiстичного до дифузiйного. Обговорюється вплив розмiрних ефектiв у таких системах та можливiсть використання результатiв для вдосконалення характеристик польових транзисторiв з графеновим каналом, комiрок енергонезалежної сегнетоелектричної пам’ятi з довiльним доступом, сенсорiв, а також для мiнiатюризацiї рiзних пристроїв функцiональної наноелектронiки
Посилання
K. Novoselov, A. Geim, S. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. Dubonos, I. Grigorieva, A. Firsov. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science 306, 666 (2004).
A. Geim. Graphene: Status and prospects. Science 324, 1530 (2009).
S. Das Sarma, Shaffique Adam, E.H. Hwang, E.Rossi. Electronic transport in two-dimensional graphene. Rev. Mod. Phys. 83, 407 (2011).
B. Amorim, A. Cortijo, F. de Juan, A.G. Grushin, F. Guinea, A. Gutierrez-Rubio, H. Ochoa, V. Parente, R. Roldan, P. San-Jose, J. Schiefele, M. Sturla, M.A.H. Vozmediano.
Novel effects of strains in graphene and other two dimensional materials. Phys. Rep. 617, 1 (2016).
G.G. Naumis, S. Barraza-Lopez, M. Oliva-Leyva, H. Terrones. A review of the electronic and optical properties of strained graphene and other similar 2D materials. arXiv:1611.08627 (2016).
Yi Zheng, Guang-Xin Ni, Chee-Tat Toh, Chin-Yaw Tan, Kui Yao, Barbaros Цzyilmaz. Graphene field-effect transistors with ferroelectric gating. Phys. Rev. Lett. 105, 166602 (2010).
Woo Young Kim, Hyeon-Don Kim, Teun-Teun Kim, Hyun-Sung Park, Kanghee Lee, Hyun Joo Choi, Seung Hoon Lee, Jaehyeon Son, Namkyoo Park, Bumki Min. Graphene-ferroelectric metadevices for nonvolatile memory and reconfigurable logic-gate operations. Nature communications 7, Article number: 10429; doi:10.1038/ncomms10429 (2016).
X. Hong, J. Hoffman, A. Posadas, K. Zou, C.H. Ahn, J. Zhu. Unusual resistance hysteresis in n-layer graphene field effect transistors fabricated on ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3. Appl. Phys. Lett. 97, 033114 (2010).
A. Rajapitamahuni, J. Hoffman, C.H. Ahn, X. Hong. Examining Graphene Field Effect Sensors for Ferroelectric Thin Film Studies. Nano Lett. 13, 4374 (2013).
M. Humed Yusuf, B. Nielsen, M. Dawber, X. Du. Extrinsic and intrinsic charge trapping at the graphene/ferroelectric interface. Nano Lett. 14 (9), 5437 (2014).
J.H. Hinnefeld, R. Xu, S. Rogers, S. Pandya, M. Shim, L.W. Martin, N. Mason. Single Gate PN Junctions in Graphene-Ferroelectric Devices. arXiv:1506.07138 (2015).
C. Baeumer, D. Saldana-Greco, J.M.P. Martirez, A.M. Rappe, M. Shim, L.W. Martin. Ferroelectrically0 driven spatial carrier density modulation in graphene. Nature communications 6, Article number: 6136; doi:10.1038/ncomms7136 (2015).
JieWenjing, Jianhua Hao. Time-dependent transport characteristics of graphene tuned by ferroelectric polarization and interface charge trapping. Nanoscale (2017). Nanoscale, 10, 328 (2018).
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, M.V. Strikha. Ballistic conductivity of graphene channel with p–n junction on ferroelectric domain wall. Appl. Phys. Lett. 108, 232902 (2016).
M.V. Strikha, A.N.Morozovska. Limits for the graphene on ferroelectric domain wall p–n-junction rectifier for different regimes of current. J. Appl. Phys. 120, 214101 (2016).
A.I. Kurchak, A.N. Morozovska, M.V. Strikha. Hysteretic phenomena in GFET: general theory and experiment. J. Appl. Phys. 122, 044504 (2017).
A.I. Kurchak, E.A. Eliseev, S.V. Kalinin, M.V. Strikha, A.N. Morozovska. p–n junctions dynamics in graphene channel induced by ferroelectric domains motion. Phys. Rev. Appl. 8, 024027 (2017).
A.N. Morozovska, A.I. Kurchak, M.V. Strikha. Graphene exfoliation at ferroelectric domain wall induced by piezoeffect: impact on the conductance of graphene channel. Phys. Rev. Appl. 8, 054004 (2017).
J.R. Williams, L. DiCarlo, C.M. Marcus. Quantum Hall effect in a gate-controlled pn junction of graphene. Science 317, 638 (2007).
V. Cheianov, V. Falko. Selective transmission of Dirac electrons and ballistic magnetoresistance of p–n junctions in graphene. Phys. Rev. B 74, 041403 (2006).
J.R. Whyte, J.M. Gregg. A diode for ferroelectric domainwall motion. Nature Communications 6, Article number: 7361 (2015).
N.M. Zhang, M.M. Fogler. Nonlinear screening and ballistic transport in a graphene p–n junction. Phys. Rev. Lett. 100, 116804 (2008).
Yu.A. Kruglyak, M.V. Strikha. Generalized Landauer – Datta – Lundstrom Model in Application to Transpor Phenomena in Graphene. UJP Reviews 10, 3 (2015).
C.W. Beenakker. Andreev reflection and Klein tunneling in graphene. Rev. Mod. Phys. 80, 1337 (2008).
M.I. Katsnelson, K.S. Novoselov, A.K. Geim. Chiral tunnelling and the Klein paradox in graphene. Nat. Phys. 2, 620 (2006).
V. V. Cheianov, V.I. Falko, B.L. Altshuler. The Focusing of Electron Flow and a Veselago Lens in Graphene p-n Junctions. Science 315, 1252 (2007).
A.N. Morozovska, M.V. Strikha. Pyroelectric origin of the carrier density modulation at graphene-ferroelectric interface. J. Appl. Phys. 114, 014101 (2013).
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, A.V. Ievlev, O.V. Varenyk, A.S. Pusenkova, Ying-Hao Chu, V.Ya. Shur, M.V. Strikha, S.V. Kalinin. Ferroelectric domain triggers the charge modulation in semiconductors. J. Appl. Phys. 116, 066817 (2014).
I.I. Naumov, A.M. Bratkovsky. Gap opening in graphene by simple periodic inhomogeneous strain. Phys. Rev. B 84, 245444 (2011).
T.L. Linnik. Effective Hamiltonian of strained graphene. J. Phys.: Condens. Matter 24, 205302 (2012).
T.L. Linnik. Photoinduced valley currents in strained graphene. Phys. Rev. B 90, 075406 (2014).
E.A. Eliseev, A.N. Morozovska, S.V. Kalinin, Y.L. Li, Jie Shen, M.D. Glinchuk, L.Q. Chen, V. Gopalan. Surface Effect on Domain Wall Width in Ferroelectrics. J. Appl. Phys. 106, 084102 (2009).
V. Cheianov, V. Falko. Selective transmission of Dirac electrons and ballistic magnetoresistance of n–p junctions in graphene. Phys. Rev. B 74, 041403 (2006).
A.N. Morozovska, A.S. Pusenkova, O.V. Varenyk, S.V. Kalinin, E.A. Eliseev, M.V. Strikha. Finite size effects of hysteretic dynamics in multi-layer graphene on ferroelectric. Phys. Rev. B 91, 235312 (2015).
S. Datta. Lessons from nanoelectronics: A new perspective on transport (Hackensack, World Scientific Publishing Company, 2015).
D. Singh, J.Y. Murthy, T.S. Fisher. Mechanism of thermal conductivity reduction in few-layer graphene. J. Appl. Phys. 110 094312 (2011).
A.K. Tagantsev, L.E. Cross, J. Fousek. Domains in ferroic crystals and thin films (Springer, 2010) [ISBN: 978-1-4419-1416-3].
Y.O. Krugliak, M.V. Strihka. Generalized landauer–datta–lundstrom model in application to transport phenomena in graphene. Ukr. J. Phys. Reviews 10, 3 (2015).
M.V. Strikha. Mechanism of the antihysteresis behavior of the resistivity of graphene on a Pb(ZrxTi1−x)O3 ferroelectric substrate. JETP Letters 95, 198 (2012).
A.I. Kurchak, M.V. Strikha. Antihysteresis of the electrical resistivity of graphene on a ferroelectric Pb(ZrxTi1−x)O3 substrate. JETP 143, 129 (2013).
A.K. Tagantsev, L.E. Cross, J. Fousek. Domains in Ferroic Crystals and Thin Films (Springer, 2010).
A.I. Kurchak, A.N. Morozovska, М.V. Strikha. Rival mechanisms of hysteresis in the resistivity of graphene channel. Ukr. J. Phys. 58, 472 (2013).
Y. Zheng, G.-X. Ni, C.-T. Toh, C.-Y. Tan, K. Yao, B. Ozyilmaz. Graphene field-effect transistors with ferro-electric gating. Phys. Rev. Lett. 105, 166602 (2010).
L.D. Landau, I.M. Khalatnikov. On the anomalous absorption of sound near a second order phase transition point. Dokl. Akad. Nauk SSSR 96, 469–472 (1954).
S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen, B.J. Rodriguez. Local polarization dynamics in ferroelectric materials. Rep. Prog. Phys. 73, 056502-1-67 (2010).
H. Wang, Y. Wu, C. Cong, J. Shang, T. Yu. Hysteresis of Electronic Transport in Graphene Transistors. ACS Nano 4, 7221 (2010).
M. Lafkioti, B. Krauss, T. Lohmann, U. Zschieschang, H. Klauk, K. Klitzing, J.H. Smet. Graphene on a hydrophobic substrate: doping reduction and hysteresis suppression under ambient conditions. Nano Lett. 10, 1149 (2010).
A. Veligura, P.J. Zomer, I.J. Vera-Marun, C. Jуzsa, P.I. Gordiichuk, B.J. van Wees. Relating hysteresis and electrochemistry in graphene field effect transistors J. Appl. Phys. 110, 113708 (2011).
M.V. Strikha. Non volatile memory of new generation and ultrafast IR modulators based on graphene on ferroelectric substrate. In: Functional Nanomaterials and Devices for Electronics, Sensors and Energy Harvesting. Ed. by A. Nazarov, F. Balestra, V. Kilchytska, D. Flandre (Springer International Publishing, 2014).
M.V. Strikha. Hysteresis in the resistivity of graphene channel. In: Chemical Functionalization of Carbon Nanomaterials: Chemistry and Application. Ed. by V.K. Thakur, M.K. Thakur (Taylor and Francis, 2015).
C. Baeumer, S.P. Rogers, R. Xu, L.W. Martin, M. Shim. Tunable carrier type and density in graphene/PbZr0.2Ti0.8O3 hybrid structures through ferroelectric switching. Nano Letters. 13, 1693 (2013).
S.S. Sabri, P.L. Levesque, C.M. Aguirre et al. Appl. Phys. Lett. 95, 242104 (2009).
H. Wang, Y. Wu, C. Cong et al. ACS Nano 4, 7221 (2010).
A. Veligura, P.J. Zomer, I.J. Vera-Marun et al. J. Appl. Phys. 110, 113708 (2011).
A.K. Tagantsev, G. Gerra. Interface-induced phenomena in polarization response of ferroelectric thin films. J. Appl. Phys. 100, 051607 (2006).
A. K. Tagantsev, M. Landivar, E. Colla, and N. Setter. Identification of passive layer in ferroelectric thin films from their switching parameters. J. Appl. Phys. 78, 2623 (1995).
G. Rupprecht, R.O. Bell. Dielectric constant in paraelectric perovskite. Phys. Rev. 135, A748 (1964).
E.J.G. Santos. Electric Field Effects on Graphene Materials. In Exotic Properties of Carbon Nanomatter (Springer, 2015), pp. 383–391.
J. Hlinka, P. M´arton. Phenomenological model of a 90∘ domain wall in BaTiO3-type ferroelectrics. Phys. Rev. B 74, 104104 (2006).
L.D. Landau, I.M. Khalatnikov. On the anomalous absorption of sound near a second order phase transition point. Dokl. Akad. Nauk SSSR 96, 469 (1954).
R. Kretschmer, K.Binder. Surface effects on phase transitions in ferroelectrics and dipolar magnets. Phys. Rev. B 20, 1065 (1979).
Chun-Lin Jia, Valanoor Nagarajan, Jia-Qing He, Lothar Houben, Tong Zhao, Ramamoorthy Ramesh, Knut Urban, Rainer Waser. Unit-cell scale mapping of ferroelectricity and tetragonality in epitaxial ultrathin ferroelectric films. Nature Materials 6, 64 (2007).
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, N.V. Morozovsky, S.V. Kalinin. Ferroionic states in ferroelectric thin films. Phys. Rev. B 95, 195413 (2017).
E.A. Eliseev, A.N. Morozovska. General approach to the description of the size effect in ferroelectric nanosystems. The Journal of Materials Science. 44 (19), 5149 (2009).
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, S.V. Svechnikov, A.D. Krutov, V.Y. Shur, A.Y. Borisevich, P. Maksymovych, S.V. Kalinin. Finite size and intrinsic field effect on the polar-active properties of ferroelectric semiconductor heterostructures. Phys. Rev. B 81, 205308 (2010).
A.K. Tagantsev, L.E. Cross, J. Fousek. Domains in Ferroic Crystals and Thin Films (Springer, 2010) [ISBN: 978-1-4419-1416-3].
M.J. Haun, E. Furman, S.J. Jang, L.E. Cross. Thermodynamic theory of the lead zirconate-titanate solid solution system, Part V: Theoretical calculations. Ferroelectrics 99, 63 (1989) (see figure 16 and table I).
S.P. Koenig, N.G. Boddeti, M.L. Dunn, J.S. Bunch. Ultrastrong adhesion of graphene membranes. Nature Nanotechnology 6, 543 (2011).
A. Politano, G. Chiarello. Probing the Young’s modulus and Poisson’s ratio in graphene/metal interfaces and graphite: A comparative study. Nano Research 8 (6), 1847 (2015).
T. Chen, R. Cheung. Mechanical Properties of Graphene. In: Graphene Science Handbook. Mechanical and Chemical Properties (CRC Press, 2016).
F. Felten, G.A. Schneider, J. Muсoz Saldaсa, S.V. Kalinin. Modeling and measurement of surface displacements in BaTiO3 bulk material in piezoresponse force microscopy. J. Appl. Phys. 96 (1), 563 (2004).
S.V. Kalinin, E.A. Eliseev, A.N. Morozovska. Materials contrast in piezoresponse force microscopy. Appl. Phys. Lett. 88, (23) (2006).
A.N. Morozovska, E.A. Eliseev, S.L. Bravina, S.V. Kalinin. Resolution function theory in piezoresponse force microscopy: Domain wall profile, spatial resolution, and tip calibration. Phys. Rev. B 75 (17), 174109 (2007).
S.V. Kalinin, A.N. Morozovska, L.Q. Chen, B.J. Rodriguez. Local polarization dynamics in ferroelectric materials. Reports on Progress in Physics 73 (5), 056502 (2010).
S.V. Kalinin, B.J. Rodriguez, S.-H. Kim, S.-K. Hong, A. Gruverman, E.A. Eliseev. Imaging Mechanism of Piezo-response Force Microscopy in Capacitor Structures. Appl. Phys. Lett. 92, 152906 (2008).
J.S. Bunch, A.M. van der Zande, S.S. Verbridge, I.W. Frank, D.M. Tanenbaum, J.M. Parpia, H.G. Craighead, P.L. McEuen. Electromechanical resonators from graphene sheets. Science 315, 490 (2007).
N. Levy, S.A. Burke, K.L. Meaker, M. Panlasigui, A. Zettl, F. Guinea, A.H. Castro Neto, M.F. Crommie. Strain – induced pseudo – magnetic fields greater than 300 tesla in graphene nanobubbles. Science 329, 544 (2010).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
