Tese de Doutorado #357 – Cintia Lima Pereira – 09/05/2019

Este trabalho tem como objetivo estudar a interação do hidrogênio molecular (H2) com transistores de efeito de campo de grafeno. Demonstramos que o H2 dopa localmente o grafeno nas proximidades da heterojunção formada por grafeno-contato. Além disso, esta interação é fortemente dependente das características da interface metal-grafeno. Ao investigar diferentes tipos de contatos metálicos, sendo estes Au, Au/Cr, Au/TiOx e Au/Cr2O3, observa-se que eles podem estar tanto fortemente quanto fracamente acoplados ao grafeno eletrostaticamente. Deste modo, para contatos fortemente acoplados ao grafeno, a exposição ao H2 gera uma inversão na assimetria das curvas de resistência em função do potencial de porta. Esta assimetria nas curvas é observada para todos os casos estudados na ausência de H2 em que os contatos metálicos estão projetados sobre o grafeno na geometria invasiva. Sua origem vem da dopagem local gerada pela diferença entre as funções trabalho do grafeno e contato, somada a dopagem eletrostática gerada pela aplicação do potencial de porta. O hidrogênio molecular, neste caso, modula a junção pn formada na interface, que causa a inversão da assimetria observada. Contudo, para contatos fracamente acoplados ao grafeno, a exposição ao hidrogênio se manifesta com a formação de um segundo ponto de neutralidade de cargas. Propomos neste trabalho que este fenômeno acontece devido ao desacoplamento entre as funções trabalho do grafeno e contatos metálicos, de tal modo que a densidade de portadores tanto na região do canal de condução quanto na região dos contatos metálios pode ser modulada pela aplicação do potencial de porta, gerando os dois pontos de neutralidade. Estudamos a relação desse fenômeno com a geometria do dispositivo, com a concentração de hidrogênio e temperatura de exposição. Os resultados mostram uma dopagem completamente reversível induzida pelo gás em todas as condições de interface estudadas. Esse comportamento aponta uma forma controlada de criar uma junção pn em grafeno, que gera uma variação significativa de resistência, explorada no desenvolvimento de sensores de hidrogênio com alta performance.