استفاده از الگوی گرافن که به منزله مجموعه ای از نانو نوار گرافن به اندازه کافی باریک به عنوان مبنایی برای ترانزیستور اثر میدانی نانو نوار گرافن به تازگی موجب جلب نظر ویژه ای شده زیرا آنها یک کلاس جدید از مواد در خانواده کربن شناخته شده و امیدوار کننده برای دستگاه های نانو الکترونیکی است[۲،۳].

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

نانو نوارهای گرافن بوسیله تعیین یک محدودیت عرضی در گرافن بدست می­­آیند. این کار با محدود کردن پهنای گرافن انجام می­ شود، بطوریکه یک نوار باریک طولانی شکل می­گیرد. بنابراین، نانو نوارهای گرافن دارای یک ساختار یک بعدی (۱D) هستند که حرکت حاملها در آن در دو جهت محدود می­ شود. دسته­ بندی نانو نوارهای گرافن مطابق با فرم لبه­ آنها صورت می­گیرد. اتمهای کربن بر روی لبه نانو نوار گرافن به دو شکل می ­تواند باشد که بنامهای زیگزاگ[۹] و آرمچیر[۱۰] شناخته می­شوند[۵]. همانطورکه در شکل ۲-۲ نشان داده شده، ما می­توانیم یک نوار گرافن را در امتداد یک خط مستقیم برش دهیم. در این شکل ما شاهد برش گرافن به دو نمونه اولیه شکل لبه بنامهای آرمچیر (شکل۲-۲الف) و زیگزاگ (شکل۲-۲ب) با یک اختلاف ۳۰ درجه­ای درجهت محوری بین دو جهت لبه هستیم[۷]. بنابراین (شکل۲-۲) دو نوار گرافن اساسی را نشان می­دهد، که بعنوان شبکه ­های گرافیتی تک بعدی محدود شده بوسیله یک جفت لبه­ی موازی آرمچیر (زیگزاگ) در دو طرف تعریف می­شوند که در (شکل۲-۲الف) نشان داده می­ شود. همانطور که در شکل(۲) نشان داده شده است لبه دو نمونه، یعنی لبه آرمچیر (شکل۲-الف)و لبه زیگزاگ (شکل۲-ب) با یک تفاوت۳۰ درجه در جهت محوری بین دو دیدگاه لبه دیده می شود]۲۵[. لبه ساختار توسط دایره هایی جامد در هر طرف عمود بر جهت عرض تعریف شده فشرده شده است]۱۳[. از آنجا که لبه اتم های نانو نوارهای گرافن اشباع نشده است بنابراین حالتهای لبه فعال یک عامل مهم برای تعیین ساختار تبدیل شده است به عنوان مثال برای نانو نوار های گرافن زیگزاگی به طور غیر منتظره شبه پایدار است]۲۶[.
عرض یک نوار آرمچیر می ­تواند برحسب تعداد خطوط دیمر[۱۱] N)) تعیین شود.خطوط دیمر تعداد پیوندهای موجود در عرض نانو نوار است[۵۱]:

(۲-۱)

در این رابطه=۱/۴۲A◦ فاصله نزدیکترین همسایه مجاور است. عرض نوار زیگزاگ اکنون با تعداد زنجیره­های زیگزاگ N شناسایی می­ شود.

(۲-۲)

در (شکل۲-۲) موقعیت لبه­ها در هر طرف نانونوار گرافن بوسیله دایره­های توپر مورد تاکید قرار گرفته است. از آنجا که نانو نوار گرافن نوارهایی از گرافن هستند، اتم های لبه غیراشباع هستند. بنابراین، حالتهای لبه­ی فعال یک عامل مهم برای تعیین کردن ساختارهای لبه محسوب می­شوند. برای نانو نوارهای گرافن آرمچیر، بازسازی لبه رخ نمی­دهد، ولی درمورد نانو نوارهای گرافن زیگزاگ، مشخص شد که لبه زیگزاگ کم ثبات است، و بطور شگفت آوری بازسازی خودبخود در دمای بالا رخ می­دهد[۵].
نامهای “آرمچیر” و “زیگزاگ” به شکل لبه در جهت انتقال نانو نوار گرافن اشاره می­ کند و از استاندارد کنوانسیون تعریف شده برای نانو نوار گرافن پیروی می­ کند[۱۴].

(الف) (ب)
شکل(۲-۲) (الف) طرح شبکه یک نوار آرمچیر (N=10). (ب) طرح شبکه یک نوار زیگزاگ (N=5). محل لبه­ها در هر طرف توسط دایره­های توپر مشخص شده است. جهت پیکان به جهت­های انتقالی نانو نوارهای گرافن اشاره می­ کند (ناکادا[۱۲] و همکاران، ۱۹۹۶[۵]).
نام آرمچیر و زیگزاگ به شکل لبه جهت معرفی شکل و انتقال حامل نانو نوارهای گرافن ارجاع می شود]۲۷[. مطالعات اخیر نشان داده اند که نانو نوارهای گرافن بسته به ساختار اتمی از لبه های خود می توانند به صورت فلز یا نیمه هادی عمل کنند. این اجازه می دهد تا نانو نوارهای گرافن به عنوان عناصر عملکردی در نانوابزارهایی ها، شبیه به نانولوله های کربنی استفاده شوند. با این حال، نانو نوارهای گرافن با داشتن دو لبه در هر دو طرف باز تفاوت قابل ملاحظه ای با نانو لوله های کربنی دارند. این لبه ها نه تنها موجب حذف شرایط مرزی دوره ای در طول محیط نانولوله می شوند، بلکه همچنین مطمئنا نانو نوارهای گرافن بیشتر در معرض خطر نقص نسبت به نانولوله ها هستند. لبه بسیاری از نانو نوارهای گرافن به هیدروژن خاتمه یافته است ]۴[ و هیچ تأثیر عمده ای بر ساختار باند نانو نوارهای گرافن ندارد]۲۸[.
بررسی­های اخیر نشان داد که نانو نوارهای گرافن بسته به ساختار اتمی لبه­های خود می­توانند فلز یا نیمه­هادی باشند. این موضوع اجازه می­دهد تا نانو نوارهای گرافن همانند نانولوله­های کربنی[۱۳] ، هم بعنوان اتصالات داخلی[۱۴] و هم بعنوان عناصر عملکردی در نانوافزاره­ها استفاده شوند. هرچند، نانو نوارهای گرافن بخاطر داشتن دو لبه­ی باز در هردو طرف، بطور قابل ملاحظه­ای متفاوت از نانولوله­های کربنی هستند. این لبه­ها نه تنها شرایط مرزی متناوب[۱۵] در امتداد محیط نانولوله­های کربنی را حذف می­ کنند، بلکه گذشته از این نانو نوارهای گرافن را بیشتر از نانولوله­های کربنی نسبت به نقص­ها[۱۶] آسیب پذیر می­سازند. دلیل اصلی آن ناشی از این است که لبه­های نانو نوارهای گرافن بیشتر اوقات به هیدروژن منتهی شده ­اند[۴] و تاثیر عمده­ای بر روی ساختار باند[۱۷] نانو نوارهای گرافن ها ندارند]۷[.
دلیل مناسب بودن نانو نوارهای گرافن برای کاربردهای آینده الکترونیک دیجیتالی، فقط بعلت اندازه کوچک آنها نیست، بلکه آنها روی­هم رفته دارای ویژگی­های بالقوه­ مفیدی هستند (مخصوصاً ویژگی­های الکترونیکی و حرارتی)[۶]. یکی از خواص مفید نانو نوارهای گرافن این است که انتقال حامل[۱۸] در آن یک بعدی است. انتقال یک بعدی می ­تواند مانع از اثر پراکندگی[۱۹] شود و درعین حال می ­تواند انتقال بالستیک را بالا ببرد. درنتیجه، اتلاف توان نانو نوارهای گرافن بسیار کم است.
مشخصات الکتریکی نانو نوارهای گرافن در بسیاری از موارد مشابه نانو لوله­های کربنی است، و حتی گاهی اوقات رفتار الکتریکی بهتری از نانولوله­های کربنی دارند[۱۵]. آزمایشهای اخیر نشان داد که برخلاف نانولوله­های کربنی که بسته به کایرالیته[۲۰]­(به جای کلمه‏ ی کایرال، کلمه‏ ی نامتقارن نیز به کار می‏ رود. برای بسیاری از مولکول‏ های موجود در طبیعت، مولکول‏ هایی هستند (با همان ترکیب شیمیایی) که تصویر آیینه‏ ای آن‏ها می باشند) خود، ترکیبیی از مواد فلزی و نیمه رسانا هستند [۸] ، تمام نانو نوارهای گرافن زیر ۱۰ نانو متر بعلت اثر لبه[۲۱]، نیمه رسانا هستند، که این ویژگی، آنها را برای بکارگیری در افزاره­های الکترونیکی جذاب تر می­سازد [۵۳]. مهمتر از همه، نانو نوارهای گرافن ویژگی­های الکتریکی مطلوبی از خود نشان می­ دهند که با آنچه که در نانولوله­های کربنی به آن دست یافته شده، قابل مقایسه است، از قبیل رفتار سوئیچینگ سریع، تحرک بالای حاملها و انتقال بالستیک.
اصولا، با استفاده بیشتر از روش های استاندارد صنعت ساخت نیمه رسانا، خصوصیات مسطح نانو نوارهای گرافن می ­تواند الگو شود، بطوریکه مشکلات هم ترازی که نانولوله­های کربنی با آنها مواجه هستند را کنار زده و کنترل بالای عرض و جهت نوار را میسر می­ کند[۲۵]. بعلت ساختار مسطح نانو نوارهای گرافن ها، آنها می­توانند به آسانی با دستکاری نانولوله­های کربنی حاصل شوند[۵۴]. درطی فرایند تولید نانولوله­های کربنی ، بطور آماری کایرالیته­ها از پیش تعیین شده هستند و تقریبا غیر قابل کنترل هستند. روش های الگودهی لیتوگرافی[۲۲] اعمال شده به گرافن، مانع از درجه کنترل کایرالیته و تنظیم مسائل نوعی نانولوله­های کربنی می­ شود[۲۵]. پیشرفتهای تجربی اخیر نشان داد که برخلاف نانولوله­های کربنی ، نانو نوارهای گرافن را می­توان به شیوه­ای بسیار قابل کنترل تولید کرد، که امکان استفاده از مزیت خواص الکترونیکی منحصربفرد آنها را فراهم می­ کند[۷،۵۵]. درمورد GNRFET ها، امکان الگودهی نوار گرافن مقیاس نانو که دارای جهت معین نسبت به زیرلایه می­باشد، یک راه ممکن برای غلبه بر مشکل کنترل کایرالیته نانولوله­های کربنی است.
با توجه به محدود کردن کوانتومی[۲۳] و اثر لبه، انتظار می­رود نانو نوارهای گرافن برخی خواص حرارتی برجسته­ای را از خود بروز دهند. علاوه بر این، همچنانکه صنعت الکترونیک بسوی ابعاد نانو پیش می­رود، مشکل اتلاف حرارتی[۲۴] در مدارهای الکترونیکی به یکی از مهمترین چالشهای پیش روی این صنعت تبدیل شده است. یک روش ممکن برای حل این مشکل، پیدا کردن مواد با رسانایی حرارتی[۲۵] بالا است، که بتوانند با تکنولوژی ماسفت­های مکمل (CMOS) یکپارچه سازی شوند. الماس و نانولوله­های کربنی برای چنین کاربردهایی مطرح شده اند. هرچند، باتوجه به مقاومت اتصال حرارتی[۲۶] بزرگ، آنها برای یکپارچه سازی با CMOS خیلی مناسب نیستند. درحالیکه، متفاوت از الماس و نانولوله­های کربنی، نانو نوارهای گرافن ها می­توانند بطور طبیعی (بدون واسطه) به حرارت گیرها[۲۷] متصل شوند، و بنابراین از مشکل مقاومت اتصال حرارتی اجتناب می­ کنند. این موضوع نشان می­دهد که نانو نوارهای گرافن می­توانند ماده ممتازی برای مدیریت حرارتی در مدارات و افزاره­های CMOS باشند.
طراحی و ساخت افزاره ها براساس نانو نوارهای گرافن دارای برخی مزایای بالقوه و کلیدی است. نخست اینکه، تمام نانو نوارهای گرافن دارای عرض و جهت­های متفاوت، در اتصال با یکدیگر سطح مشترک اتمی[۲۸] کاملی دارند [۵۵] درحالیکه نانولوله­های با قطر و کایرالیته متفاوت برای دست­یافتن به سطح مشترک مناسب دچار مشکل هستند. دوم اینکه، بطور کلی پیدا کردن یک روش قوی برای ساختن اتصال با واحد افزاره مولکولی بعلت ناحیه اتصال خیلی کوچک کار سختی می­باشد، زیرا معمولا یک مقاومت اتصال بزرگ مابین الکترودهای فلزی و مولکولها وجود دارد (بعنوان مثال، نانولوله­های کربنی تک جداره (SWNTs)[29])، این مشکل می ­تواند با بهره گرفتن از نانو نوارهای گرافن برطرف شود، زیرا افزاره­های مبتنی بر نانو نوارهای گرافن می­توانند با نانو نوارهای گرافن فلزی[۳۰] به مدارهای بیرونی متصل شوند[۵۵]. بسط الکترودهای نانو نوارهای گرافن فلزی برای بوجود آوردن اتصال با نانو نوارهای گرافن نیمه­هادی[۳۱]بکار می­رود، بطوریکه یک سطح مشترک اتمی فلز- نیمه­هادی صاف با حداقل مقاومت اتصال برقرار شده است. و درآخر، ناخالص سازی[۳۲] یک افزاره مولکولی کار بسیار دشواری است. نانو نوارهای گرافن دو لبه آزاد دارند که می ­تواند بعنوان وسیله موثری برای ناخالص سازی آنها به­کار رود (با دستکاری انتهای لبه) [۵۵]. این کار می ­تواند بسادگی با جایگزینی اتمهای کربن © در لبه نوار با انواع مختلف ماده ناخالص ساز در بخش­های مختلف صورت بگیرد. می­توان بطور انتخابی یک نانو نوارهای گرافن واحد را به­گونه ­ای ناخالص کرد که به حالت یک پیوند p-n درآید. همچنین، غلظت ناخالص­ساز­ها با کنترل کردن اندازه نانو نوارهای گرافن و مقدار اتمهای ناخالص­ساز قابل تنظیم است.
۲-۱-۱- روش های تولید گرافن :
بهره برداری الکترونیکی از گرافن، متکی به توانایی اصلاح کردن خواص الکترونیکی گرافن با سایز محدود است (بعنوان مثال، تبدیل از نیمه­هادی به فلز)، که بوسیله تغییر سایز، شکل و جهت لبه صورت می­گیرد. این ویژگی منحصربفرد در مقایسه با مواد نیمه ­هادی های پیشین، مانند سیلیکون، می ­تواند در نهایت باعث توانایی طراحی و کوچک سازی مدارهای الکترونیکی آتی بوسیله نانو نوار گرافن شود. یکی از مسائل بسیار مهم در ساخت نانونوار گرافن، کنترل عرض نانونوار است. به منظور استفاده کردن از آثار محدود کردن کوانتومی در گرافن، عرض نوار باید به مقیاس نانو برود. برای تحقق بخشیدن به الگودهی گرافن با عرض مقیاس نانو، تکنیک­های مختلفی تا کنون ارائه شده است در این بخش در نظر داریم که مروری کوتاه بر روند تولید نانو نوار گرافن داشته باشیم.
امروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می‌شود که از متداول‌ترین آنها در ذیل مرور می گردد. برخی روش‌های دیگری همانند شکافتن نانو لوله‌های کربنی برای تولید نانو نوارهای گرافن و ساخت با امواج ماکرویو نیز اخیرا بکاربرده شده‌اند[۲۹].
۲-۱-۱-۱- لیتوگرافی پرتو E
اولین روش لیتوگرافی با وضوح بالا استفاده از تکنیک لیتوگرافی پرتوE برای تولید نانو نوار گرافن است. متاسفانه، کوچکترین عرض نانو نوار گرافن در محدوده۲۰-۵۰۰ نانومتر است ]۳۹-۴۲[، که درجه حرارت اتاق از نظر ابعادی برای نانو نوار گرافن مبتنی بر نانوالکترونیک بیش از حد بزرگ است.
به منظور استفاده از مزایای ناشی از امکان الگودهی لیتوگرافی گرافن، دو شرط باید برآورده شود. اولین شرط با عرض نانو نوارهای گرافن سروکار دارد، و به منظور دست یافتن به مقدار شکاف انرژی که اجازه عملکرد در دمای اتاق را می­دهد، باید عرض نانونوار پایین نگه داشته شود (در حد چند نانومتر). شرط دوم درمورد جهت کریستالوگرافی[۳۳] نانو نوار گرافن است که باید بطور دقیق کنترل شود، زیرا اشتباه کردن جهت حتی به میزان چند درجه می ­تواند بطور کامل شکاف انرژی را خراب کند.
۲-۱-۱-۲- روش‌ پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی[۳۴] :
اساس این روش بر پایه جدا کردن تک لایه های گرافن از ذرات گرافیت با بهره گرفتن از نوارهای سلفونی معمولی است. این روش که به نام نوار اسکاتلندی یا روش پوست کنی نیز معروف است که ادامه کارهای قبلی را در زمینه لایه لایه کردن میکرومکانیکی گرافیت الگودهی کرد.[۳۲]
با این وجود، گرافن تک لایه برای اولین بار در سال۲۰۰۴ توسط گروه آندره کی جیم و کنستانتین نوولسو تولید و گزارش شد. آنها از چسب نواری برای جدا کردن لایه‌های گرافن از سطح زیرلایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایه‌های متنوع گرافن را دارد و علاوه بر آن، آسان نیز است. روش لایه برداری مکانیکی توسط قابلیت تولید لایه‌های گرافیتی کم لایه و چند لایه را دارد اما ضخامت گرافیت بدست آمده توسط این روش برابر با ۱۰ نانو متر است که تقریبا برابر با ۳۰ لایه گرافن تک لایه است[۲۹ – ۳۴].
۲-۱-۱-۳- روش رشد همبافته :
این روش بر اساس تبخیر یک عنصر غیر کربنی از ترکیبات آن با کربن است. استفاده از Sic یا سیلیکون کاربید[۳۵] رایج تر است. در این روش بستر Sic بوده که تا دمای ℃ ۱۰۰۰ تحت خلا شدید حرارت داده می شود. در این شرایط سیلیکون شروع به واجذب شدن از سطح می کند. در نتیجه روی سطح، غلظت کربن افزایش یافته و در ادامه جزایر گرافنی از اتم های کربن شروع به رشد می کنند. نتایج مطالعات برروی ساختار و مورفولوژی لایه های گرافنی حاکی از کیفیت بالای گرافن تولید شده دارد. همین موضوع سبب شده تا خواص گرافن تولید شده به این روش نزدیک به خواص گرافن تولید شده به روش لایه برداری میکرومکانیکی باشد. لایه های گرافن تولید شده به این روش را می توان با بهره گرفتن از لیتوگرافی جهت تولید ابزارهای الکتریکی بکاربرد. تولید گرافن با این روش تابع پارامترهایی است که برروی رشد لایه ها موثر است که عبارتند از : ضخامت لایه های گرافن، مقدار لایه های گرافن، ابعاد لایه های گرافن و کیفیت تولیدی.
۲-۱-۱-۴- روش رسوب نشانی بخار شیمیایی(CVD) :
روش رسوب نشانی بخار شیمیایی [۳۶] یک روش شناخته شده جهت تولید فیلم های نازک و نانو ذرات است. در حدود ۴۰ سال است با بهره گرفتن از رسوب نشانی بخار شیمیایی، از هیدروکربن ها برروی سطح فلزات واسطه فیلم های نازک گرافیت تهیه شود با این وجود مقدار زیادی از منبع کربنی جذب سطح شده که در نتیجه آن، بلورهای ضخیم گرافیت تشکیل می شود. اخیرا محققان با بهبود این روش موفق به تولید تک و چند لایه های گرافن شده اند. در تلاش های ابتدایی یک لایه ۳۰۰ نانومتری از نیکل برروی یک بستر سیلیکونی تهیه شده و سپس با افزایش حرارت تا دمای ℃ ۱۰۰۰ و ورود گاز حاوی آرگون، هیدروژن و متان فرایند ادامه پیدا می کند. بدلیل دمای بالا، قسمتی از کربن موجود در منبع کربنی در فلز واسطه حل شده و کاهش شدید دما تا دمای محیط کربن در فلز کاهش یافته و کربن بصورت لایه های گرافن برروی سطح رسوب می کند. محصول نهایی تولید شده به این روش از کیفیت بالایی برخوردار بوده و برای تولید قطعات الکترونیکی مناسب می باشد. [۲۹؛۳۵] همزمان با ابداع روش های مختلف تولید گرافن و کامپوزیت آن توسط روف[۳۷] و همکارانش، محققین دانشگاه پرینستون[۳۸] روشی جهت تولید انبوه تک لایه های گرافن در مقیاس انبوه ابداع نمودند. این روش براساس اعمال شوک حرارتی که اکسید گرافیت در دمای (℃ ۶۰۰<) است. ماده حاصل پودری بسیار متخلخل (سطح ویژه ۸۰۰<) و با چگالی بسیار کم است. این روش در حال حاضر بطور صنعتی جهت تولید گرافن مورد استفاده قرار می گیرد[۳۶].
۲-۱-۱-۵- روش تهیه گرافن از اکسید گرافیت :
این روش ساخت گرافن با تولید در مقیاس بزرگ سازگارتر است. در این روش گرافیت را اکسید می کنند و در یک محیط اسیدی قوی لایه هایی به صورت اکسید گرافن[۳۹] جدا می کنند. این فرایند اکسایش، گروه های عاملی اکسیژن دار زیادی (مانند کربوکسیل، اپوکسید و گروه های هیدروکسیل) در سطح گرافن ایجاد می کند. حضور این گروه های عاملی قطبی، در برخی موارد یونیزه شونده در سطح، اکسید گرافن را شدیدا آب دوست می کند و در نتیجه این ماده به راحتی در آب و حلال های آلی قطبی پخش می شود. واقعیت نامطلوب در مورد اکسید گرافن این است که حضور گروه های عاملی در سطح، اکسید گرافن را از خواص منحصر به فرد خود دور می کند.
اکسید گرافن یک نارسانای الکتریکی است که ساختار لایه های آن با حضور پیوند کربن-کربن شکل خمیده گرفته است. از این رو اکسید گرافن را با کاهنده هایی نظیر هیدرازین (یا تحت حرارت در یک اتمسفر احیا کننده) احیا می کنند تا به ساختار اصلی گرافن نزدیکتر شود. با اینکه فرایند احیا کردن به مقدار زیادی هدایت و مسطح بودن گرافن را باز می گرداند اما محصول نهایی هنوز مقادیر قابل توجهی پیوند های کربن-اکسیژن داشته و از خواص اصلی گرافن فاصله دارد[۳۱].

موضوعات: بدون موضوع  لینک ثابت


فرم در حال بارگذاری ...