有限尺寸对石墨烯纳米带场效应晶体管中栅极泄漏电流的影响

石墨烯是一种由单层碳原子构成的六角形晶格结构的二维材料，具有独特的电学、热学和力学特性，因此在新型电子设备和基础物理学研究中受到极大关注。随着硅基微电子学的基本限制，学术界和工业界都在寻找能被电场更好控制的新材料来取代硅。在所有候选材料中，有机导体和碳纳米管特别引人注目。由于碳纳米管具有独特的电气、热学和机械性能，它们已被广泛研究作为新电子设备使用。这些碳纳米管的许多性能也与边缘终止的石墨烯纳米带共有。而石墨烯作为新的材料候选者，不仅在基础物理学上具有独特系统的研究价值，而且在凝聚态物质和量子物理学研究方面也显示出其重要性。 栅极泄漏电流是场效应晶体管（FET）中一个重要的电气特性参数，对晶体管的性能和可靠性具有显著影响。研究石墨烯纳米带场效应晶体管（GNRFET）中的栅极泄漏电流的有限尺寸效应，揭示了纳米尺度下通道电子能量分布的特殊性，这在以往忽略有限尺寸效应时是未曾显现的。特别是在石墨烯纳米带宽度在几纳米范围时，这种效应尤为明显，导致与传统的二维石墨烯FET相比，相同的设备结构和参数下，纳米带石墨烯FET中高能电子的数量增多。这样的电子能量分布将影响石墨烯纳米带FET的栅极泄漏电流，数值计算表明，随着石墨烯纳米带宽度的减小，隧道泄漏电流迅速增加，从而暗示了在考虑栅介质可靠性的情况下，一个可行的石墨烯FET的通道宽度应该大于100纳米。 此研究结果对石墨烯纳米带FET的实际应用有着重要的指导意义，因为它们指出了在设计和制造石墨烯FET时，需要考虑的因素不仅仅是材料的本征特性，还包括器件的几何尺寸和结构配置。这些发现为理解纳米尺度电子器件在微观层面的行为提供了新的视角，并为未来石墨烯电子器件的设计和制备提供了科学依据。 研究论文中提到的有限尺寸效应在石墨烯纳米带场效应晶体管中的具体作用机制如下：当石墨烯纳米带的宽度降低到几个纳米量级时，量子限域效应开始变得显著，导致二维电子气的能量分布发生变化。在有限尺寸的石墨烯纳米带中，电子的能量状态不再形成连续的能带，而是分裂成一系列离散的量子化能级。这意味着处于较高能量状态的电子数量会增加，这些高能量电子更易于跨越栅介质层，产生栅极泄漏电流。 因此，设计石墨烯FET时，必须对器件的尺寸以及所用材料的属性进行仔细考虑，以确保在实现高性能的同时，也能保证器件的长期稳定性和可靠性。例如，如果器件尺寸过小，就可能由于高能量电子的存在而导致栅极泄漏电流增大，这在对低功耗和高速开关要求极高的晶体管设计中是不可接受的。因此，研究人员提出了100纳米为通道宽度的下限值，以确保器件的实用性。 研究论文中提及的在线彩色图表可能包含一些额外的视觉信息，这些信息对于理解石墨烯纳米带FET中的电子传输和栅极泄漏电流的有限尺寸效应具有辅助作用。电子版本的论文利用彩色视觉元素来更好地展示和分析数值计算结果和模拟数据，帮助读者直观地了解电子在纳米尺度下的行为及其对器件性能的影响。