成果简介
本文，韩国成均馆大学Haeyong Kang、Dongseok Suh等研究人员在《ADVANCED ELECTRONIC MATERIALS》期刊发表名为“Large–Area Graphene Electrode for Ferroelectric Control of Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 Single Crystal”的论文，研究将大面积单层石墨烯被用作铁电单晶 [Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]m-[PbTiO3]n (PMNPT) 的金属电极。传统金属的特性不受场致电荷载流子的影响，而石墨烯与之不同，其独特的狄拉克锥带结构使其载流子密度随接触电介质的极化状态而变化。
采用纯石墨烯电极和石墨烯/铬/金电极的 PMNPT 电容器显示出相似的极化与电场曲线。不过，在石墨烯-铁电场效应晶体管的器件配置中，可以观察到 PMNPT 中的极化切换以及石墨烯电极中相应的电荷状态转换。对石墨烯源极-漏极电流变化的系统分析显示，实验结果与考虑到石墨烯中的本征掺杂态和 PMNPT 中铁电表面电荷态的理论模型十分吻合。此外，也没有观察到之前许多报告中讨论的界面电荷捕获现象。这些发现表明，大面积单层石墨烯可有效地用作铁电单晶材料的电极，而无需考虑其原子薄结构和伏极金属性质。
图文导读
图1、大面积石墨烯/PMNPT样品及其铁电极化开关
图2、三种石墨烯/PMNPT器件的详细信息
图3、场效应晶体管配置中石墨烯/铁电混合系统的运行模型。
图4、石墨烯/PMNPT FET的电气特性以及与图3所示模型的比较
图5、新VG扫频测量方案的必要性
图6、使用新提出的 VG 扫描方案测量石墨烯/PMNPT FET 的电特性
小结
在这项研究中，我们报告了以大面积石墨烯为电极的 100 微米厚 PMNPT 单晶块的铁电极化开关。我们从石墨烯-铁电场效应晶体管器件配置的角度进行了全面研究，发现石墨烯中的电荷载流子受到 PMNPT 铁电状态的有效调制，这与石墨烯/铁电混合系统的理想模型一致。我们新提出的电学测量技术采用了预极化 VG 扫频序列的电压偏置条件，能够观察到石墨烯中的电荷载流子调制反映了铁电材料的极化状态。因此，界面上的电荷捕获效应似乎可以忽略不计。此外，实验还证明，PMNPT 与石墨烯电极之间的直接接触可在铁电转换过程中成功实现电荷补偿，这与石墨烯/金属叠层电极的情况类似。
所有这些实验观察结果表明，石墨烯可以作为铁电氧化物材料的电极，监测石墨烯/铁电混合系统中的铁电极化转换。我们的分析强调了石墨烯与铁电体直接接触的电极应用。其中一个例子是在铁电场效应晶体管的二维半导体器件中将其用作源极或漏极金属触点。另一个例子是在压电器件中使用大面积石墨烯电极，与 Pb（Zr,Ti）O3 陶瓷或单晶 PMNPT 一起使用，因为与传统金属相比，石墨烯的原子厚度更具优势。我们预计这将加深我们对石墨烯/PMNPT 界面的理解，并为开发用于铁电或压电系统的二维电极铺平道路。
文献：https://doi.org/10.1002/aelm.202300339
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