Graphene field-effect transistors are integrated with solution-processed multilayer hybrid organic-inorganic self-assembled nanodielectrics (SANDs). The resulting devices exhibit low-operating voltage (2 V), negligible hysteresis, current saturation with intrinsic gain >1.0 in vacuum (pressure < 2 × 10−5 Torr), and overall improved performance compared to control devices on conventional SiO2 gate dielectrics. Statistical analysis of the field-effect mobility and residual carrier concentration demonstrate high spatial uniformity of the dielectric interfacial properties and graphene transistor characteristics over full 3 in. wafers. This work thus establishes SANDs as an effective platform for large-area, high-performance graphene electronics.
REFERENCES
1.
S.
Das Sarma
, S.
Adam
, E. H.
Hwang
, and E.
Rossi
, Rev. Mod. Phys.
83
, 407
(2011
).2.
D.
Jariwala
, V. K.
Sangwan
, L. J.
Lauhon
, T. J.
Marks
, and M. C.
Hersam
, Chem. Soc. Rev.
42
, 2824
(2013
).3.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, Y.
Zhang
, S. V.
Dubonos
, I. V.
Grigorieva
, and A. A.
Firsov
, Science
306
, 666
(2004
).4.
K. S.
Novoselov
, V. I.
Falko
, L.
Colombo
, P. R.
Gellert
, M. G.
Schwab
, and K.
Kim
, Nature
490
, 192
(2012
).5.
K. I.
Bolotin
, K. J.
Sikes
, Z.
Jiang
, M.
Klima
, G.
Fudenberg
, J.
Hone
, P.
Kim
, and H. L.
Stormer
, Solid State Commun.
146
, 351
(2008
).6.
S. V.
Morozov
, K. S.
Novoselov
, M. I.
Katsnelson
, F.
Schedin
, D. C.
Elias
, J. A.
Jaszczak
, and A. K.
Geim
, Phys. Rev. Lett.
100
, 016602
(2008
).7.
S.
Adam
, E. H.
Hwang
, V. M.
Galitski
, and S.
Das Sarma
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
104
, 18392
(2007
).8.
J. H.
Chen
, C.
Jang
, S.
Adam
, M. S.
Fuhrer
, E. D.
Williams
, and M.
Ishigami
, Nature Phys.
4
, 377
(2008
).9.
F.
Schedin
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, E. W.
Hill
, P.
Blake
, M. I.
Katsnelson
, and K. S.
Novoselov
, Nature Mater.
6
, 652
(2007
).10.
J.-H.
Chen
, C.
Jang
, S.
Xiao
, M.
Ishigami
, and M. S.
Fuhrer
, Nat. Nanotechnol.
3
, 206
(2008
).11.
C. R.
Dean
, A. F.
Young
, I.
Meric
, C.
Lee
, L.
Wang
, S.
Sorgenfrei
, K.
Watanabe
, T.
Taniguchi
, P.
Kim
, K. L.
Shepard
, and J.
Hone
, Nat. Nanotechnol.
5
, 722
(2010
).12.
A. H.
Castro Neto
, F.
Guinea
, N. M. R.
Peres
, K. S.
Novoselov
, and A. K.
Geim
, Rev. Mod. Phys.
81
, 109
(2009
).13.
I.
Meric
, C. R.
Dean
, A. F.
Young
, N.
Baklitskaya
, N. J.
Tremblay
, C.
Nuckolls
, P.
Kim
, and K. L.
Shepard
, Nano Lett.
11
, 1093
(2011
).14.
Y.-M.
Lin
, C.
Dimitrakopoulos
, K. A.
Jenkins
, D. B.
Farmer
, H.-Y.
Chiu
, A.
Grill
, and P.
Avouris
, Science
327
, 662
(2010
).15.
V. K.
Sangwan
, D.
Jariwala
, S. A.
Filippone
, H. J.
Karmel
, J. E.
Johns
, J. M. P.
Alaboson
, T. J.
Marks
, L. J.
Lauhon
, and M. C.
Hersam
, Nano Lett.
13
, 1162
(2013
).16.
J.
Bai
, L.
Liao
, H.
Zhou
, R.
Cheng
, L.
Liu
, Y.
Huang
, and X.
Duan
, Nano Lett.
11
, 2555
(2011
).17.
L.
Liao
, J.
Bai
, Y.
Qu
, Y.-c.
Lin
, Y.
Li
, Y.
Huang
, and X.
Duan
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
107
, 6711
(2010
).18.
H.
Liu
, K.
Xu
, X.
Zhang
, and P. D.
Ye
, Appl. Phys. Lett.
100
, 152115
(2012
).19.
P.
Ye
, A. T.
Neal
, T.
Shen
, J. J.
Gu
, M. L.
Bolen
, and M. A.
Capano
, ECS Trans.
33
, 459
(2010
).20.
S. M.
George
, Chem. Rev.
110
, 111
(2010
).21.
G. M.
Whitesides
and M.
Boncheva
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
99
, 4769
(2002
).22.
R. P.
Ortiz
, A.
Facchetti
, and T. J.
Marks
, Chem. Rev.
110
, 205
(2010
).23.
S. A.
DiBenedetto
, A.
Facchetti
, M. A.
Ratner
, and T. J.
Marks
, Adv. Mater.
21
, 1407
(2009
).24.
L. L.
Hench
and J. K.
West
, Chem. Rev.
90
, 33
(1990
).25.
C.
Mattevi
, F.
Colléaux
, H.
Kim
, Y.-H.
Lin
, K. T.
Park
, M.
Chhowalla
, and T. D.
Anthopoulos
, Nanotechnology
23
, 344017
(2012
).26.
M.-H.
Yoon
, A.
Facchetti
, and T. J.
Marks
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
, 4678
(2005
).27.
S. A.
DiBenedetto
, D.
Frattarelli
, M. A.
Ratner
, A.
Facchetti
, and T. J.
Marks
, J. Am. Chem. Soc.
130
, 7528
(2008
).28.
Y.-g.
Ha
, S.
Jeong
, J.
Wu
, M.-G.
Kim
, V. P.
Dravid
, A.
Facchetti
, and T. J.
Marks
, J. Am. Chem. Soc.
132
, 17426
(2010
).29.
V. K.
Sangwan
, R. P.
Ortiz
, J. M. P.
Alaboson
, J. D.
Emery
, M. J.
Bedzyk
, L. J.
Lauhon
, T. J.
Marks
, and M. C.
Hersam
, ACS Nano
6
, 7480
(2012
).30.
K.
Everaerts
, J. D.
Emery
, D.
Jariwala
, H. J.
Karmel
, V. K.
Sangwan
, P. L.
Prabhumirashi
, M. L.
Geier
, J. J.
McMorrow
, M. J.
Bedzyk
, A.
Facchetti
, M. C.
Hersam
, and T. J.
Marks
, J. Am. Chem. Soc.
135
, 8926
(2013
).31.
S.
Ju
, F.
Ishikawa
, P.
Chen
, H.-K.
Chang
, C.
Zhou
, Y.-g.
Ha
, J.
Liu
, A.
Facchetti
, T. J.
Marks
, and D. B.
Janes
, Appl. Phys. Lett.
92
, 222105
(2008
).32.
S.
Ju
, J.
Li
, J.
Liu
, P.-C.
Chen
, Y.-g.
Ha
, F.
Ishikawa
, H.
Chang
, C.
Zhou
, A.
Facchetti
, D. B.
Janes
, and T. J.
Marks
, Nano Lett.
8
, 997
(2008
).33.
S.-H.
Hur
, M.-H.
Yoon
, A.
Gaur
, M.
Shim
, A.
Facchetti
, T. J.
Marks
, and J. A.
Rogers
, J. Am. Chem. Soc.
127
, 13808
(2005
).34.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4866387 for characterization of SAND, description of the graphene transfer process, characteristics of G-FETs on Zr-SAND, characteristics of control G-FETs, and controlled SAM doping on Hf-SAND.
35.
Z.
Sun
, Z.
Yan
, J.
Yao
, E.
Beitler
, Y.
Zhu
, and J. M.
Tour
, Nature
468
, 549
(2010
).36.
J. W.
Suk
, A.
Kitt
, C. W.
Magnuson
, Y.
Hao
, S.
Ahmed
, J.
An
, A. K.
Swan
, B. B.
Goldberg
, and R. S.
Ruoff
, ACS Nano
5
, 6916
(2011
).37.
X.
Li
, W.
Cai
, J.
An
, S.
Kim
, J.
Nah
, D.
Yang
, R.
Piner
, A.
Velamakanni
, I.
Jung
, E.
Tutuc
, S. K.
Banerjee
, L.
Colombo
, and R. S.
Ruoff
, Science
324
, 1312
(2009
).38.
A. C.
Ferrari
, J. C.
Meyer
, V.
Scardaci
, C.
Casiraghi
, M.
Lazzeri
, F.
Mauri
, S.
Piscanec
, D.
Jiang
, K. S.
Novoselov
, S.
Roth
, and A. K.
Geim
, Phys. Rev. Lett.
97
, 187401
(2006
).39.
C.
Mattevi
, H.
Kim
, and M.
Chhowalla
, J. Mater. Chem.
21
, 3324
(2011
).40.
J.
Yan
, Y.
Zhang
, P.
Kim
, and A.
Pinczuk
, Phys. Rev. Lett.
98
, 166802
(2007
).41.
S.
Pisana
, M.
Lazzeri
, C.
Casiraghi
, K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, A. C.
Ferrari
, and F.
Mauri
, Nature Mater.
6
, 198
(2007
).42.
I.
Meric
, M. Y.
Han
, A. F.
Young
, B.
Ozyilmaz
, P.
Kim
, and K. L.
Shepard
, Nat. Nanotechnol.
3
, 654
(2008
).43.
J.
Xia
, F.
Chen
, J.
Li
, and N.
Tao
, Nat. Nanotechnol.
4
, 505
(2009
).44.
Z.
Yan
, Z.
Sun
, W.
Lu
, J.
Yao
, Y.
Zhu
, and J. M.
Tour
, ACS Nano
5
, 1535
(2011
).45.
K.
Yokota
, K.
Takai
, and T.
Enoki
, Nano Lett.
11
, 3669
(2011
).46.
F.
Schwierz
, Nat. Nanotechnol.
5
, 487
(2010
).47.
A. M.
DaSilva
, K.
Zou
, J. K.
Jain
, and J.
Zhu
, Phys. Rev. Lett.
104
, 236601
(2010
).48.
Y.-F.
Chen
and M. S.
Fuhrer
, Phys. Rev. Lett.
95
, 236803
(2005
).49.
B. N.
Szafranek
, G.
Fiori
, D.
Schall
, D.
Neumaier
, and H.
Kurz
, Nano Lett.
12
, 1324
(2012
).© 2014 AIP Publishing LLC.
2014
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
