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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.43.2012.tde-07082012-180729
Documento
Autor
Nome completo
José Eduardo Padilha de Sousa
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Paulo, 2012
Orientador
Banca examinadora
Fazzio, Adalberto (Presidente)
Miwa, Roberto Hiroki
Plentz Filho, Flávio Orlando
Varella, Marcio Teixeira do Nascimento
Venezuela, Pedro Paulo de Mello
Título em português
Nanodispositivos baseados em grafeno
Palavras-chave em português
dft
grafeno
Nanodispositivos
propriedades de transporte
Resumo em português
Nesta tese investigamos a partir de cálculos de primeiros princípios, dispositivos e componentes de dispositivos baseados em grafeno. Abordamos os campos da nanoeletrônica e da spintrônica. Dentro da nanoeletrônica investigamos: (i) propriedades de transporte de um nanotransistor de bicamada de grafeno na presença de um gate duplo. Demonstramos que sobre a ação de um campo elétrico externo, mesmo utilizando um gate da ordem de 10 nm, à temperatura ambiente e 4.5K uma corrente nula nunca é exibida. Esses resultados são explicados por um regime de tunelamento; (ii) propriedades eletrônicas e de transporte de multicamadas de grafeno em função do número de camadas e tipo de empilhamento entre elas. Mostramos que a estrutura eletrônica do sistema depende fortemente desse novo grau de liberdade de empilhamento. Na presença de um campo elétrico externo aplicado perpendicular ao sistema, o empilhamento do tipo Bernal nunca exibe um gap de energia, ao contrário do empilhamento romboédrico que exige um gap ajustável através da intensidade do campo. Mostramos também que é possível diferenciar os tipos de empilhamentos através da resistência do sistema e variando-se a temperatura; (iii) dentro das componentes de um nanotransistor mais realista, estudamos as propriedades eletrônicas e estruturais de: (a) bicamadas de grafeno sobre um substrato de nitreto de boro hexagonal. Neste sistema o limite de voltagens que podem ser aplicadas depende fortemente do número de camadas de h-BN e da direção do campo, onde quanto menos camadas maior é a voltagem que pode ser aplicada; (b) heteroestruturas compostas de bicamadas de grafeno, nitreto de boro hexagonal e cobre. Demonstramos que para uma aplicação direta em um dispositivo a configuração com uma bicamada de grafeno depositada sobre um substrato de h-BN e este conjunto sobre a superfície de cobre é a mais favorável. Nessa configuração é possível tanto controlar o gap na bicamada como a dopagem do sistema, sem a abertura de canais de condução através do dielétrico (h-BN). Dentro do campo da spintrônica estudamos: (i) propriedades de transporte das nanofitas de grafeno (GNR) (3,0) pristinas e dopadas com boro e nitrogênio. Para as GNR pristinas mostramos com os eletrodos em um alinhamento de spin anti-paralelo o sistema apresenta um comportamento de filtro de spin, onde para tensões de bias positivos/negativos somente o canal up/down conduz. Para as GNR dopadas com boro e nitrogênio, mostramos que as correntes para os diferentes canais de spin são não degeneradas ao longo de todo o intervalo de tensões aplicadas, apresentando desse modo um comportamento de filtro de spin; (ii) finalmente estudamos as propriedades de transporte de uma junção túnel magnética, composta de GNR intercaladas por uma nanofita de nitreto de boro hexagonal. Mostramos que esse sistema pode ser utilizado tanto como filtros de spin como elementos para dispositivos de magnetoresistência gigante, onde para este último a sua eficiência é muito mais pronunciada.
Título em inglês
Graphene Based Nanodevices
Palavras-chave em inglês
dft
graphene
Nanodevices
transport properties
Resumo em inglês
In this thesis we investigated by first principle calculations, devices and components of devices based on graphene. We covered the fields of nanoelectronics and spintronics. On the field of nanoelectronics we investigated: (i) the transport properties of a dual gate bilayer graphene nanotransistor. We showed that under the action of an external electrical field, even with a gate length of 10 nm, at room temperature and 4.5K a zero current is never exhibited. These results could be explained by a tunneling regime; (ii) the electronic and transport properties of few layer graphene, as function of the number and type of stacking of the layers. We show that the electronic structure strong deppends of the stacking order. On the presence of a external electrical field applied to the system, the Bernal stacking never presents a gap, contrary to the rombohedrical one, that posses a tuneable energy gap. Also we showed that is possible to differentiate the types of stacking by the resistance of the system and varying the temperature;(iii) for the components of a more realistic nanodevice, we study the structural and electronic properties of: (a) bilayer graphene over a hexagonal boron nitride substrate. We show that the voltages that could be applied to the system strongly depends of the number 0 layers and the direction of the field, where with more layers, smaller is the field; (b) heterostructures composed with bilayer graphene, hexagonal boron nitride and cooper. We show that for a direct application on a device, the better configuration is with a bilayer graphene over the hexagonal boron nitride, and this set over a cooper. In this configuration is possible to control both the gap and the doping of the system, without the creation of conducting channels through the dielectric (h-BN). On the field of spintronics, we study: (i) the transport properties (3,0) graphene nanoribbons pristines and doped with nitrogen and boron. For the pristine GNR we show that for the electrodes in an anti-parallel alignment the system presents a spin filter behavior, where for positive/negative bias the transport is only by up/down channel. For the GNR doped with nitrogen and boron we show that the current is non-degenerated in all range of voltages applied, presenting a spin filter behavior; (ii) finally, we study the transport properties of a magnetic tunnel junction, consisting of a GNR intercalated with a hexagonal boron nitride nanoribbon. We show that such system could be used both as a spin filter as a device that uses the the giant magnetoresistance effect, where for the last the system if more efficient.
 
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Data de Publicação
2013-03-08
 
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