Графены

Учет квантовой емкости и подвижности носителей заряда для оптимизации сенсорного отклика в графеновых транзисторах

А. В. Бутко, В. Ю. Бутко, Ю. А. Кумзеров

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург, Россия

Аннотация: Зарядовая плотность молекул $(N{\mathrm{m}})$ в гибридных наноструктурах, формируемых на интерфейсе графена в графеновых полевых транзисторах с жидкими затворными изоляторами (SGFETs), определяет селективный отклик создаваемых на их основе химических и биологических сенсоров. Для оптимизации этого отклика важно установить то, как он зависит от характеристик SGFETs, функционально связанных с $N_{\mathrm{m}}$, в том числе от квантовой емкости графена $(C_{\mathrm{q}})$ и от подвижности в нем носителей заряда $(\mu)$. Предлагаемая модель отклика показывает, что он мал для затворных напряжений $(V_{\mathrm{gate}})$, вблизи минимума проводимости графена (точка Дирака) и возрастает с увеличением $V_{\mathrm{gate}}$ при достижении $C_{\mathrm{q}}$ пороговых значений, близких к емкости двойного слоя $(C{\mathrm{dl}})$ в SGFETs. Предсказывается также падение отклика при дальнейшем увеличении $V_{\mathrm{gate}}$ для случая более сильной зависимости $\mu$ от $N_{\mathrm{m}}$, чем $\mu\propto 1/N_{\mathrm{m}}$. Сопоставление выводов модели с литературными данными для графеновых SGFETs на основе водных растворов лизина согласуется с предположением, что оптимальное для эффективного отклика соотношение $C{\mathrm{q}}\approx C{\mathrm{dl}}$ достигается при отсчитываемом от точки Дирака напряжении $V_{\mathrm{gate}}$ в диапазоне (0.5–1.4) V.

Ключевые слова: графен, гибридные наноструктуры, транзисторные сенсоры, подвижность, интерфейс.

Поступила в редакцию: 16.07.2022
Исправленный вариант: 08.08.2022
Принята в печать: 08.08.2022

DOI: 10.21883/FTT.2022.12.53666.441

Реферативные базы данных:

•