프랑스 오르세이의 IEF(Institut d’`Electronique Fondamentale)와 베트남의 물리학 연구소(Institute of Physics)의 연구진은 그래핀 전자장치를 위해서 새로운 방법을 제시할 나노홀 격자(nanohole lattice)에 대한 새로운 연구결과를 내놓았다.
그래핀은 뛰어난 전달 특성(transport properties)을 가지고 있지만, 간극이 없는(gapless) 특성은 전자장치 적용에 큰 문제점으로 대두되고 있다. 그러나 2차원 그래핀 시트의 나노홀의 경우에, 밴드갭이 개방되어 있어서 홀의 크기와 그들의 간격을 변화시킴으로써 밴드갭을 제어할 수 있다. 이러한 그래핀 나노메쉬(graphene nanomesh, GNM)는 종종 밴드갭 공학에 큰 가능성을 제공하기 때문에 그래핀 시트를 나노리본으로 자르는 것보다 더 효율적인 방법이라는 것이 밝혀졌다. 저널 Nanotechnology에 게재된 최근 연구에서, 이번 연구진은 음 미분 전도도(negative differential conductance, NDC)에서 강한 효과를 나타나는 몇몇 GNM 장치의 이동성을 조사하기 위해서 원자론적 밀집 결합 모델(tight binding model)의 그린(Green) 함수 기법을 기반으로 하는 시뮬레이션 방법을 사용하였다.
Graphene nanomesh (GNM) offers an excellent opportunity for bandgap engineering and could turn out to be a more effective approach than cutting graphene sheets into nanoribbons.
이번 연구에서, 수많은 시뮬레이션으로 높은 피크-대-밸리 비율(peak-to-valley, PVR)을 가진 NDC 장치를 설계할 수 있는 GNM 격자의 장점을 강조했다. 연구진은 pn 접합과 균일한 n-도핑된 구조를 기반으로 한 장치를 제안했다. 이전 장치는 피크 전류가 n-채널의 전도대와 p-채널의 가전자대 간의 대간 터널링(interband tunnelling)에 의해서 조절되는데 반해서 밸리 전류(valley current)는 두 개의 채널을 밴드갭으로 제어한다. 이것은 NDC의 높은 PVR을 불러오지만, p 도핑된 영역과 n 도핑된 영역 간의 전이 영역의 길이에 대한 강한 민감도를 훼손시킨다. 균일하게 n-도핑된 구조에서, 작은 미니갭(minigap)에 의해서 조절되는 강화된 밸리 전류 때문에 PVR은 더 작아진다. 그러나 정상적인 전달을 초래하는 피크 전류는 더 커지고 전이 길이에 유의적인 영향을 받지 않는다.
이번 연구진은 pn 접합의 전이 영역에 그래핀을 도입했을 때, NDC 효과가 상당히 향상된다는 것을 증명했다. 이러한 GNM/그래핀/GNM 헤테로구조에서, 그래핀의 간극의 없는 특성 때문에, 소멸 상태는 전이 영역에서 나타나지 않는데, 이것은 피크 전류를 높게 만들고 전이 길이에 대한 의존을 약하게 만들면서, 큰 밴드갭으로 제어되는 밸리 전류가 두 개의 접합면에서 낮은 값을 유지하게 한다. 이것은 심지어 높은 전이 길이를 가진 경우에도 수백 배의 높은 PVR를 상온에서 초래한다.
연구진은 비평형 그린(Green) 함수의 양자 전달 방법을 사용해서 그래핀 기반의 장치에서 전자 및 스핀 분극화된 전달에 초점을 맞추어서 연구를 진행하고 있다. 연구진은 현재 나노장치에서 전자 및 포논 전달을 시뮬레이션하는 연구를 진행하고 있다. 이 연구는 그래핀 장치에 밴드갭 공학의 장점을 도입했을 때 GNM 격자의 높은 잠재력을 보여준다. 이 연구결과는 저널 Nanotechnology에 “Graphene nanomesh-based devices exhibiting a strong negative differential conductance effect” 라는 제목으로 게재되었다
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