Towards graphene nanoribbon-based electronics

Abstract

The successful fabrication of single layer graphene has greatly stimulated the progress of the research on graphene. In this article, focusing on the basic electronic and transport properties of graphene nanoribbons (GNRs), we review the recent progress of experimental fabrication of GNRs, the theoretical and experimental investigations of physical properties, and device applications of GNRs. We also briefly discuss the research efforts on the spin polarization of GNRs in relation to the edge states.

Keywords

graphene nanoribbons / transport / edge disorder / electronic devices / spin polarization

References

[1] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, Science, 2004, 306: 666

[2] C. Berger, Z. Song, T. Li, X. Li, A. Y. Ogbazghi, R. Feng, Z. Dai, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, and W. A. de Heer, J. Phys. Chem. B, 2004, 108: 19912

[3] C. Berger, Z. Song, X. Li, X. Wu, N. Brown, C. Naud, D. Mayou, T. Li, J. Hass, A. N. Marchenkov, E. H. Conrad, P. N. First, and W. A. de Heer, Science, 2006, 312: 1191

[4] V. P. Gusynin and S. G. Sharapov, Phys. Rev. Lett., 2005, 95: 146801

[5] K. S. Novoselov, Z. Jiang, Y. Zhang, S. V. Morozov, H. L. Stormer, U. Zeitler, J. C. Maan, G. S. Boebinger, P. Kim, and A. K. Geim, Science, 2007, 315: 1379

[6] Y. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer, and P. Kim, Nature (London), 2005, 438: 201

[7] K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, and A. A. Firsov, Nature (London), 2005, 438: 197

[8] 8. S. Y. Zhou, G. H. Gweon, J. Graf,A. V. Fedorov, C. D. Spataru, R. D. Diehl, Y. Kopelevich, D. H. Lee, S. G. Louie, and A. Lanzara, Nature Phys., 2006, 2: 595

[9] A. Bostwick, T. Ohta, T. Seyller, K. Horn, and E. Rotenberg, Nature Phys., 2007, 3: 36

[10] G. Li and E. Y. Andrei, Nature Phys., 2007, 3: 623

[11] C. H. Park, L. Yang, Y. W. Son, M. L. Cohen, and S. G. Louie, Nature Phys., 2008, 4: 213

[12] Z. Q. Li, E. A. Henriksen, Z. Jiang, Z. Hao, M. C. Martin, P. Kim, H. L. Stormer, and D. N. Basov, Nature Phys., 2008, 4: 532

[13] D. Usachov, A. M. Dobrotvorskii, A. Varykhalov, O. Rader, W. Gudat, A. M. Shikin, and V. K. Adamchuk, Phys. Rev. B, 2008, 78: 085403

[14] P. W. Sutter, J. Flege, and E. A. Sutter, Nature Mater., 2008, 7: 406

[15] D. Martoccia, P. R. Willmott, T. Brugger, M. Bjorck, S. Gunther, C. M. Schleputz, A. Cervellino, S. A. Pauli, B. D. Patterson, S. Marchini, J. Wintterlin, W. Moritz, and T. Greber, Phys. Rev. Lett., 2008, 101: 126102

[16] Y. Hernandez, V. Nicolosi, M. Lotya, F. M. Blighe, Z. Sun, S. De, I. T. McGovern, B. Holland, M. Byrne, Y. K. Gunko, J. J. Boland, P. Niraj, G. Duesberg, S. Krishnamurthy, R. Goodhue, J. Hutchison, V. Scardaci, A. C. Ferrari, and J. N. Coleman, Nature Nanotechnology, 2008, 3: 563

[17] X. Fan, W. Peng, Y. Li, X. Li, S. Wang, G. Zhang, and F. Zhang, Adv. Mater., 2008, 20: 4490

[18] V. C. Tung, M. J. Allen, Y. Yang, and R. B. Kaner, Nat. Nanotechnol., 2009, 4: 25

[19] A. Dato, V. Radmilovic, Z. Lee, J. Phillips, and M. Frenklach, Nano Lett., 2008, 8: 2012

[20] A. Reina, X. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus, and J. Kong, Nano Lett., 2009, 9: 30

[21] K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J. H. Ahn, P. Kim, J. Y. Choi, and B. H. Hong, Nature (London), 2009, 457: 706

[22] D. A. Areshkin and C. T. White, Nano Lett., 2007, 7: 3253

[23] Q. Yan, B. Huang, J. Yu, F. Zheng, J. Zhang, J. Wu, B. L. Gu, F. Liu, and W. Duan, Nano Lett., 2007, 7: 1469

[24] X. Liang, Z. Fu, and S. Y. Chou, Nano Lett., 2007, 7: 3840

[25] I. Meric, M. Y. Han, A. F. Young, B. Ozyilmaz, P. Kim, and K. L. Shepard, Nature Nanotechnology, 2008, 3: 654

[26] X. Wu, M. Sprinkle, X. Li, F. Ming, C. Berger, and Walt A. de Heer, Phys. Rev. Lett., 2008, 101: 026801

[27] J. R. Williams, L. DiCarlo, and C. M. Marcus, Science, 2007, 317: 638

[28] D. A. Abanin and L. S. Levitov, Science, 2007, 317: 641

[29] B. Öyilmaz, P. Jarillo-Herrero, D. Efetov, D. A. Abanin, L. S. Levitov, and P. Kim, Phys. Rev. Lett., 2007, 99: 166804

[30] R. V. Gorbachev, A. S. Mayorov, A. K. Savchenko, D. W. Horsell, and F. Guinea, Nano Lett., 2008, 8: 1995

[31] F. Schedin, A. K. Geim, S. V. Morozov, E.W. Hill, P. Blake, M. I. Katsnelson, and K. S. Novoselov, Nature Mater., 2007, 6: 652

[32] T. O. Wehling, K. S. Novoselov, S. V. Morozov, E. E. Vdovin, M. I. Katsnelson, A. K. Geim, and A. I. Lichtenstein, Nano Lett., 2008, 8: 173

[33] J. T. Robinson, F. K. Perkins, E. S. Snow, Z. Wei, and P. E. Sheehan, Nano Lett., 2008, 8: 3137

[34] M. I. Katsnelson, Mater. Today, 2007, 10: 20

[35] A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nature Mater., 2007, 6: 183

[36] C. W. J. Beenakker, Rev. Mod. Phys., 2008, 80: 1337

[37] A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Rev. Mod. Phys., 2009, 81: 109

[38] M. Y. Han, B. Öyilmaz, Y. Zhang, and P. Kim, Phys. Rev. Lett., 2007, 98: 206805

[39] Z. Chen, Y. M. Lin, M. J. Rooks, and P. Avouris, Physica E, 2007, 40: 228

[40] L. Tapasztó, G. Dobrik, P. Lambin, and L. P. Biró, Nature Nanotechnology, 2008, 3: 397

[41] L. Weng, L. Zhang, Y. P. Chen, and L. P. Rokhinson, Appl. Phys. Lett., 2008, 93: 093107

[42] A. J. M. Giesbers, U. Zeitler, S. Neubeck, F. Freitag, K.S. Novoselov, and J. C. Maan, Solid St. Comm., 2008, 147: 366

[43] X. Li, X.Wang, L. Zhang, S. Lee, and H. Dai, Science, 2008, 319: 1229

[44] S. S. Datta, D. R. Strachan, S. M. Khamis, and A. T. Charlie Johnson, Nano Lett., 2008, 8: 1912

[45] H. Duan, E. Xie, L. Han, and Z. Xu, Adv. Mater., 2008, 20: 3284

[46] Y. Kobayashi,1, K. Fukui, T. Enoki, K. Kusakabe, and Y. Kaburagi, Phys. Rev. B, 2005, 71: 193406

[47] Y. Niimi, T. Matsui, H. Kambara, K. Tagami, M. Tsukada, and H. Fukuyama, Phys. Rev. B, 2006, 73: 085421

[48] Z. Liu, K. Suenaga, Peter J. F. Harris, and S. Iijima, Phys. Rev. Lett., 2009, 102: 015501

[49] K. Nakada, M. Fujita, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B, 1996, 54: 17954

[50] K. Wakabayashi, M. Fujita, H. Ajiki, and M. Sigris, Phys. Rev. B, 1999, 59: 8271

[51] Y. Miyamoto, K. Nakada, and M. Fujita, Phys. Rev. B, 1999, 59: 9858

[52] Y. W. Son, M. L. Cohen, and S. G. Louie, Phys. Rev. Lett., 2006, 97: 216803

[53] V. Barone, O. Hod, and G. E. Scuseria, Nano Lett., 2006, 6:2748.

[54] D. Gunlycke and C. T. White, Phys. Rev. B, 2008, 77: 115116

[55] X. Wang, Y. Ouyang, X. Li, H. Wang, and H. Dai, Phys. Rev. Lett., 2008, 100: 206803

[56] L. Brey and H. A. Fertig, Phys. Rev. B, 2006, 73: 235411

[57] Y. W. Son, M. L. Cohen, and S. G. Louie, Nature (London), 2006, 444: 347

[58] L. Yang, C. H. Park, Y. W. Son, M. L. Cohen, and S. G. Louie, Phys. Rev. Lett., 2007, 99: 186801

[59] B. Huang, F. Liu, J. Wu, B. L. Gu, and W. Duan, Phys. Rev. B, 2008, 77: 153411

[60] E. J. Kan, Z. Li, J. Yang, and J. G. Hou, Appl. Phys. Lett., 2007, 91: 243116

[61] E. Rudberg, P. Sałek, and Y. Luo, Nano Lett., 2007, 7: 2211

[62] O. Hod, V. Barone, J. E. Peralta, and G. E. Scuseria, Nano Lett., 2007, 7: 2295

[63] E. J. Kan, Z. Li, J. Yang, and J. G. Hou, J. Am. Chem. Soc., 2008, 130: 4224

[64] F. Cervantes-Sodi, G. Csányi, S. Piscanec, and A. C. Ferrari, Phys. Rev. B, 2008, 77: 165427

[65] S. Dutta and S. K. Pati, J. Phys. Chem. B, 2008, 112: 1333

[66] Z. Li, H. Qian, J. Wu, B. L. Gu, and W. Duan, Phys. Rev. Lett., 2008, 100: 206802

[67] A. R. Akhmerov, J. H. Bardarson, A. Rycerz, and C. W. J. Beenakker, Phys. Rev. B, 2008, 77: 205416

[68] A. Cresti, G. Grosso, and G. Pastori Parravicini, Phys. Rev. B, 2008, 77: 233402

[69] J. Nakabayashi, D. Yamamoto, and S. Kurihara, Phys. Rev. Lett., 2009, 102: 066803

[70] W. Y. Kim and K. S. Kim, Nature Nanotechnology, 2008, 3: 408

[71] K. S. Novoselov, E. McCann, S. V. Morozov, V. I. Falko, M. I. Katsnelson, U. Zeitler, D. Jiang, F. Schedin, and A. K. Geim, Nature Phys., 2006, 2: 177

[72] T. Ohta, A. Bostwick, T. Seyller, K. Horn, and E. Rotenberg, Science, 2006, 313: 951

[73] E. V. Castro, K. S. Novoselov, S. V. Morozov, N. M. R. Peres, J. M. B. Lopes dos Santos, J. Nilsson, F. Guinea, A. K. Geim, and A. H. Castro Neto, Phys. Rev. Lett., 2007, 99: 216802

[74] M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, and A. K. Geim, Nat. Phys., 2006, 2: 620

[75] K. T. Lam and G. Liang, Appl. Phys. Lett., 2008, 92: 223106

[76] E. V. Castro, N. M. R. Peres, J. M. B. Lopes dos Santos, A. H. Castro Neto, and F. Guinea, Phys. Rev. Lett., 2008, 100: 026802

[77] B. Sahu, H. Min, A. H. MacDonald, and S. K. Banerjee, Phys. Rev. B, 2008, 78: 045404

[78] D. A. Areshkin, D. Gunlycke, and C. T. White, Nano Lett., 2007, 7: 204

[79] D. Gunlycke, D. A. Areshkin, and C. T. White, Appl. Phys. Lett., 2007, 90: 12104

[80] D. Querlioz, Y. Apertet, A. Valentin, K. Huet, A. Bournel, S. Galdin-Retailleau, and P. Dollfus, Appl. Phys. Lett., 2008, 92: 042108

[81] T. C. Li and S. P. Lu, Phys. Rev. B, 2008, 77: 085408

[82] A. Lherbier, B. Biel, Y. M. Niquet, and S. Roche, Phys. Rev. Lett., 2008, 100: 036803

[83] A. Cresti, N. Nemec, B. Biel, G. Niebler, F. Triozon, G. Cuniberti, and S. Roche, Nano Res., 2008, 1: 361

[84] M. Evaldsson, I. V. Zozoulenko, H. Xu, and T. Heinzel, Phys. Rev. B, 2008, 78: 161407

[85] E. R. Mucciolo, A. H. Castro Neto, and C. H. Lewenkopf, Phys. Rev. B, 2009, 79: 075407

[86] F. Sols, F. Guinea, and A. H. Castro Neto, Phys. Rev. Lett., 2007, 99: 166803

[87] C. Stampfer, J. Güttinger, F. Molitor, D. Graf, T. Ihn, and K. Ensslin, Appl. Phys. Lett., 2008, 92: 012102

[88] C. Stampfer, J. Güttinger, S. Hellmüller, F. Molitor, K. Ensslin, and T. Ihn, Phys. Rev. Lett., 2009, 102: 056403

[89] K. Todd, H. T. Chou, S. Amasha, and D. Goldhaber- Gordon, Nano Lett., 2009, 9: 416

[90] M. Wimmer, I. Adagideli, S. Berber, D. Tomanek, and K. Richter, Phys. Rev. Lett., 2008, 100: 177207

[91] D. S. Novikov, Phys. Rev. Lett., 2007, 99: 056802

[92] C. L. Kane and E. J. Mele, Phys. Rev. Lett., 1997, 78: 1932

[93] Y. Ouyang, Y. Yoon, J. K. Fodor, and J. Guo, Appl. Phys. Lett., 2006, 89: 203107

[94] G. Liang, N. Neophytou, M. S. Lundstrom, and D. E. Nikonov, J. Appl. Phys., 2007, 102: 054307

[95] V. Ryzhii, M. Ryzhii, A. Satou, and T. Otsuji, J. Appl. Phys., 2008, 103: 094510

[96] P. Avouris, Acc. Chem. Res., 2002, 35: 1026

[97] A. Javey, J. Guo, D. B. Farmer, Q. Wang, D. Wang, R. G. Gordon, M. Lundstrom, and H. Dai, Nano Lett., 2004, 4: 447

[98] B. Huang, Q. Yan, G. Zhou, J. Wu, B. L. Gu, W. Duan, and F. Liu, Appl. Phys. Lett., 2007, 91: 253122

[99] G. Liang, N. Neophytou, M. S. Lundstrom, and D. E. Nikonov, Nano Lett., 2008, 8: 1819

[100] Y. Yoon and J. Guo, Appl. Phys. Lett., 2007, 91: 073103

[101] D. Basu, M. J. Gilbert, L. F. Register, S. K. Banerjee, and A. H. MacDonald, Appl. Phys. Lett., 2008, 92: 042114

[102] Y. Ouyang, X. Wang, H. Dai, and J. Guo, Appl. Phys. Lett., 2008, 92: 243124

[103] T. B. Martins, R. H. Miwa, A. J. R. da Silva, and A. Fazzio, Phys. Rev. Lett., 2007, 98: 196803

[104] A. Rycerz, J. Tworzydło, and C. W. J. Beenakker, Nature Phys., 2007, 3: 172

[105] B. Huang, Z. Li, Z. Liu, G. Zhou, S. Hao, J. Wu, B. L. Gu, and W. Duan, J. Phys. Chem. C, 2008, 112: 13442

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg