Structure électronique de nanorubans de graphène avec des contacts métalliques : une étude ab initio

Le graphène, monocouche de carbone aux propriétés inégalées, attire depuis quelques années beaucoup d'attention dans le milieu scientique et technologique. En électronique,son dernier rejeton, le nanoruban - une étroite lanière de graphène-, pourrait bien voler la vedette. Son comportement semi-conducteur et son épaisseur atomique sont des qualités avantageuses dans la course à la miniaturisation des dispositifs tels que les transistors. Toutefois, qui dit dispositifs dit nécessairement contacts métalliques. Hors, à petite échelle, ceux-ci peuvent avoir un effet critique. Par exemple, les états de gap induits par le métal sont susceptibles de court-circuiter les dispositifs les plus courts. Dans cette optique, l'interaction de contacts métalliques d'or, de palladium et de titane avec des nanorubans de taille finie a été étudiée à l'aide de calculs ab initio dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Cette approche théorique a permis d'étudier isolément puis de mettre en relation quatre aspects importants de la jonction métal-nanoruban : le caractère de la liaison, le transfert de charge, les effets électrostatiques et les états de gap induits. Le projet avait aussi pour objectif d'étudier les effets de taille liés aux dimensions du ruban et à évaluer la taille minimale envisageable pour préserver un éventuel dispositif de l'effet néfaste des états de gap. Outre leur haut niveau de précision, ces calculs se distinguent des travaux antérieurs par la prise en compte des effets de taille finie qui s'avèrent souvent prédominants pour les rubans de dimensions réduites. Cette modélisation a permis de montrer que tout comme pour le graphène bidimensionnel, les nanorubans peuvent se lier à un métal de deux manières différentes dépendamment de la configuration électronique du métal. Dans un premier cas, il y a physisorption avec le contact d'or, c'est-à-dire une liaison faible dans laquelle ruban et électrode demeurent relativement éloignés. D'autre part, le titane, de par sa forte densité d'états au niveau de Fermi, mène quant à lui à une liaison beaucoup plus forte du type chimisorption caracterisée par une forte hybridation entre les orbitales du métal et celles du nanoruban de graphène. Celle-ci fait apparaître des états évanescents dans le gap du ruban particulièrement intenses. Le palladium représente un cas intermédiaire présentant une hybridation moins importante. On observe que pour les trois métaux étudiés, immédiatement sous le contact, la densité électronique dans le ruban diminue au profit du contact. En effet, toute liaison est accom-

Abstract

Graphene, a graphite monolayer presenting novel exciting properties, has attracted much attention recently in the scientific community as well as in the high-technology industry. In electronics, nanoribbons - narrow strips of graphene which happen to be semiconducting - could possibly allow further miniaturization of electronic devices such as transistors because of their atomic thickness. On the other hand, once making devices, the problem of metallic contacts, which can have critical impact at the nanoscopic scale, cannot be evaded. For example, metal induced gap states may short-circuit very short devices. With this in mind, the interaction of gold, palladium and titanium contacts with finite size graphene nanoribbons has been studied using ab initio density functional theory calculations. This theoretical approach made it possible to study separately and then conjugate four important aspects of the metal-ribbon interaction: bonding, charge transfer, electrostatics and metal induced gap states. Another goal of this project was to study size effects related to the ribbons' dimensions and to estimate the minimal channel length necessary for a device to operate as expected without the unwanted effect of induced gap states. Aside from the high precision achieved, these calculations stand out from earlier studies because they take into account finite size effects which often prevail in small ribbons. Using this model for the metal-nanoribbon junction, it was shown that, as for twodimensional graphene, the bonding between a ribbon and a metal can be of two types depending on the electronic configuration of the metal. In the first case, physisorption, weak bonding resulting in a large separation distance between ribbon and electrode, is illustrated by the gold contact. On the other hand, titanium, because of its high density of states at the Fermi level, binds more strongly with graphene nanoribbons. This chemisorption is characterized by strong hybridization between the metal and the ribbon's orbitals. This leads to the apparition of intense evanescent gap states in the ribbon. As for palladium, it represents an intermediate case showing some but not as much hybridization. For all three metals, right under the contact, we observe a net decrease of electron density in the ribbon in favour of the contact. Effectively, any kind of bonding is generally associated with charge transfer necessary to balance the work function difference. As expected, a metal with a large work function such as gold and palladium tends to attract electrons. However, this behaviour is surprising from titane whose work function is much smaller. This can only be explained by considering the large hybridization of the ribbon's orbitals. Moreover, the