EuroGRAPHENE_Elektrische und Optoelektrische Graphene-Bauelemente (ELOGRAPH)

Dieses Projekt ist Teil eines Gemeinschaftsprojekts, das sich mit der Entwicklung von Graphene-basierten Feldeffekttransistoren (FET) und Photodetektoren, deren Charakterisierung und physikalischer Modellierung befasst. Numerische Simulation ermöglicht das physikalische Verständnis der Funktionsweise dieser elektronischen und optoelektronischen Bauelemente zu vertiefen und kann zum Entwurf und zur Optimierung dieser Bauelemente eingesetzt werden. Um eine Bandlücke in Graphene zu erzeugen, werden zwei Klassen von Nanostrukturen betrachtet, nämlich Graphene-nano-ribbons und anti-dot-Übergitter. Die elektronische Struktur dieser Nanostrukturen werden mit Hilfe der tight-binding-Methode untersucht und geeignete Entwurfsparameter von diesen theoretischen Berechnung abgeleitet. Aus der elektronischen Struktur können die optischen Übergangsraten zwischen den Subbändern bestimmt werden. Die tight-binding-Methode ist Rechenzeit-effizient und wird oft in Verbindung mit Transportrechnungen eingesetzt. Ein geeignetes Modell für die betrachteten Bauelemente muss folgende Effekte berücksichtigen: quantenmechanische Einschränkung, Tunneln und Interferenz, Koppelung des Halbleitergebiets an die Kontakte (offenes System), Nichtgleichgewicht (angelegte Spannung, Bestrahlung), Elektron-Phonon und Elektron-Photon Wechselwirkung, sowie Raumladungseffekte. Diese Effekte können mit Hilfe von Nichtgleichgewichts-Green-Funktionen beschrieben werden. Zuerst wir ein quanten-ballistisches Transportmodell implementiert und damit die betrachteten Nanostrukturen untersucht. Dann werden durch Phononen induzierte elastische und inelastische Streuprozesse inkludiert. Streuprozesse verbreitern die Zustandsdichte, was sich wiederum auf die optischen Übergänge auswirkt. Der Einfluss der Streuprozesse auf die optischen Übergangsraten wird daher untersucht. Mit Hilfe des entwickelten Simulators für Graphene-basierte Bauelemente werden FETs und FET-infrarot-Photodetektoren ausführlich untersucht. Die Wahl des Elektrodenmetalls und der geometrischen Abmessungen beeinflussen stark die Bauelementeeigenschaften. Möglichkeiten zur Optimierung der elektrischen und optoelektronischen Eigenschaften dieser Bauelemente werden theoretisch untersucht.

Auf Grund ihrer besonderen elektronischen, opto-elektronischen und thermischen Eigenschaften waren mit Graphit verwandte Materialien, wie etwa Fullerene, Carbon-Nanotubes und Graphen, in den letzten Jahren Gegenstand intensiver Forschungen. Graphen, eine einatomige Lage aus Kohlenstoffatomen mit hexagonaler Gitterstruktur, ist wegen seiner einmaligen physikalischen Eigenschaften von besonderem Interesse. Dieses Material weist eine besonders hohe Elektronenbeweglichkeit auf und wird daher als ein vielversprechendes Ausgangsmaterial für ultraschnelle Transistoren betrachtet. In diesem Projekt wird der Einfluss der geometrischen Entwurfsparameter sowie von Nichtidealitätseffekten auf das Verhalten von elektronischen, optischen und thermoelektrischen Graphen-Bauelementen numerisch untersucht. Die Ergebnisse erlauben einen tieferen Einblick in die Funktionsweise von Graphen-Bauelementen. Zusätzlich wurden Kompaktmodelle entwickelt, um zukünftige Untersuchungen auf Schaltungs- und Systemebene sowie Optimierungsstudien zu ermöglichen.