We have used a multi-scale physics-based model to predict how the grain size and different grain boundary morphologies of polycrystalline graphene will impact the performance metrics of graphene field-effect transistors. We show that polycrystallinity has a negative impact on the transconductance, which translates to a severe degradation of the maximum and cutoff frequencies. On the other hand, polycrystallinity has a positive impact on current saturation, and a negligible effect on the intrinsic gain. These results reveal the complex role played by graphene grain boundaries and can be used to guide the further development and optimization of graphene-based electronic devices.

1.
I.
Meric
,
M. Y.
Han
,
A. F.
Young
,
B.
Ozyilmaz
,
P.
Kim
, and
K.
Shepard
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
654
659
(
2008
).
3.
S.
Thiele
,
J. A.
Schaefer
, and
F.
Schwierz
,
J. Appl. Phys.
107
,
094505
(
2010
).
4.
D.
Jiménez
and
O.
Moldovan
,
IEEE Trans. Electron Devices
58
,
4049
4052
(
2011
).
5.
S.
Thiele
and
F.
Schwierz
,
J. Appl. Phys.
110
,
034506
(
2011
).
6.
J.
Champlain
,
J. Appl. Phys.
109
,
084515
(
2011
).
7.
H.
Wang
,
A.
Hsu
,
J.
Kong
,
D. A.
Antoniadis
, and
T.
Palacios
,
IEEE Trans. Electron Devices
58
,
1523
1533
(
2011
).
8.
D.
Jiménez
,
IEEE Trans. Electron Devices
58
,
4377
4383
(
2011
).
9.
O.
Habibpour
,
J.
Vukusic
, and
J.
Stake
,
IEEE Trans. Electron Devices
59
,
968
975
(
2012
).
10.
T.
Fang
,
A.
Konar
,
H.
Xing
, and
D.
Jena
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
092109
(
2007
).
11.
F.
Schwierz
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
487
496
(
2010
).
12.
F.
Schwierz
,
Proc. IEEE
101
,
1567
1584
(
2013
).
13.
Y.-M.
Lin
,
A.
Valdes-Garcia
,
S.-J.
Han
,
D. B.
Farmer
,
I.
Meric
,
Y.
Sun
,
Y.
Wu
,
C.
Dimitrakopoulos
,
A.
Grill
,
P.
Avouris
, and
K. A.
Jenkins
,
Science
332
,
1294
1297
(
2011
).
14.
H.
Wang
,
A.
Hsu
,
J.
Wu
,
J.
Kong
, and
T.
Palacios
,
IEEE Electron Device Lett.
31
,
906
908
(
2010
).
15.
H.
Wang
,
D.
Nezich
,
J.
Kong
, and
T.
Palacios
,
IEEE Electron Device Lett.
30
,
547
549
(
2009
).
16.
X. S.
Li
,
W. W.
Cai
,
J. H.
An
,
S.
Kim
,
J.
Nah
,
D. X.
Yang
,
R.
Piner
,
A.
Velamakanni
,
I.
Jung
,
E.
Tutuc
,
S. K.
Banerjee
,
L.
Colombo
, and
R. S.
Ruoff
,
Science
324
,
1312
1314
(
2009
).
17.
A.
Reina
,
X.
Jia
,
J.
Ho
,
D.
Nezich
,
H.
Son
,
V.
Bulovic
,
M. S.
Dresselhaus
, and
J.
Kong
,
Nano Lett.
9
,
30
(
2009
).
18.
X. S.
Li
,
C. W.
Magnuson
,
A.
Venugopal
,
J. H.
An
,
J. W.
Suk
,
B. Y.
Han
,
M.
Borysiak
,
W. W.
Cai
,
A.
Velamakanni
,
Y. W.
Zhu
,
L. F.
Fu
,
E. M.
Vogel
,
E.
Voelkl
,
L.
Colombo
, and
R. S.
Ruoff
,
Nano Lett.
10
,
4328
4334
(
2010
).
19.
S.
Bae
,
H.
Kim
,
Y.
Lee
,
X. F.
Xu
,
J. S.
Park
,
Y.
Zheng
,
J.
Balakrishnan
,
T.
Lei
,
H. R.
Kim
,
Y. I.
Song
,
Y. J.
Kim
,
K. S.
Kim
,
B.
Ozyilmaz
,
J. H.
Ahn
,
B. H.
Hong
, and
S.
Iijima
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
574
578
(
2010
).
20.
P. Y.
Huang
,
C. S.
Ruiz-Vargas
,
A. M.
van der Zande
,
W. S.
Whitney
,
M. P.
Levendorf
,
J. W.
Kevek
,
S.
Garg
,
J. S.
Alden
,
C. J.
Hustedt
,
Y.
Zhu
,
J.
Park
,
P. L.
McEuen
, and
D. A.
Muller
,
Nature
469
,
389
(
2011
).
21.
D. V.
Tuan
,
J.
Kotakoski
,
T.
Louvet
,
F.
Ortmann
,
J. C
Meyer
, and
S.
Roche
,
Nano Lett.
13
,
1730
1735
(
2013
).
22.
J.
Kotakoski
and
J. C.
Meyer
,
Phys. Rev. B
85
,
195447
(
2012
).
23.
24.
S.
Roche
,
N.
Leconte
,
F.
Ortmann
,
A.
Lherbier
,
D.
Soriano
, and
J.-C.
Charlier
,
Solid State Commun.
152
,
1404
1410
(
2012
).
25.
Y.
Wu
,
Y.-M.
Lin
,
A. A.
Bol
,
K. A.
Jenkins
,
F.
Xia
,
D. B.
Farmer
,
Y.
Zhu
, and
P.
Avouris
,
Nature
472
,
74
78
(
2011
).
26.
D. B.
Farmer
,
A.
Valdes-Garcia
,
C.
Dimitrakopoulos
, and
P.
Avouris
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
143503
(
2012
).
27.
M. C.
Lemme
,
T.
Echtermeyer
,
M.
Baus
,
B. N.
Szafranek
,
M.
Schmidt
, and
H.
Kurz
,
ECS Trans.
11
,
413
(
2007
).
You do not currently have access to this content.