In breve
- La mobilità dipende dall’ambiente più che dal grafene. I dispositivi su SiO2 stanno di solito intorno a 10.000 cm²/Vs, fogli sospesi hanno superato 200.000 a 5 K e il grafene nel nitruro di boro ha raggiunto 140.000 a temperatura ambiente.
- Il grafene comandato da gate nel nitruro di boro ha mostrato una resistenza di strato inferiore a circa 40 ohm per quadro a temperatura ambiente. I film CVD monostrato di grande area stanno intorno a 125 ohm per quadro.
- I portatori si muovono a circa 106 m/s e non c’è band gap. La conducibilità scende a circa 4e²/h invece che a zero, e nelle misure del 2007 il rapporto on/off dei transistor è rimasto intorno a 100.
- Il grafene ha sopportato qualche 108 A/cm² in una misura del 2007, di diversi ordini di grandezza oltre le interconnessioni attuali.
- Un gap si può aprire, ma piccolo. Circa 200 meV nei bistrati polarizzati e nei nastri di 15 nm, e circa 16 a 28 meV sul nitruro di boro allineato. Il silicio ne ha 1,12 eV.
Quali sono le proprietà elettriche del grafene, in numeri? I portatori si muovono a circa 106 m/s e il band gap è nullo. La mobilità a temperatura ambiente va da circa 10.000 cm²/Vs su un chip di SiO2 comune a 140.000 cm²/Vs nel nitruro di boro, e la resistenza di strato può scendere sotto 40 ohm per quadro. Ogni valore qui sotto riporta il substrato, la temperatura e la densità di portatori della misura, perché una mobilità senza queste condizioni dice poco.
La mobilità è la velocità di deriva che un portatore guadagna per unità di campo elettrico. La resistenza di strato è la resistenza di un quadrato di film, qualunque sia la sua dimensione. Per una densità di portatori n, una mobilità μ e la carica elementare e, vale 1/(n e μ). Il nostro confronto tra grafene e silicio tratta la sfida nel suo insieme. Questa pagina è la tabella di riferimento che lo accompagna.
Proprietà elettriche del grafene: i valori misurati
Leggete la colonna delle condizioni prima del numero. Una mobilità di 200.000 cm²/Vs a 5 K nel vuoto non è la stessa affermazione di 100.000 a temperatura ambiente in una pila sigillata. Le temperature sono quelle indicate negli articoli. La sigla hBN indica il nitruro di boro esagonale.
| Proprietà | Valore | Condizioni | Fonte |
|---|---|---|---|
| Mobilità, dispositivo usuale su SiO2 | circa 10.000 cm²/Vs | Grafene esfoliato su una fetta di silicio ossidato, come riassunto da Mayorov | Mayorov 2011 |
| Mobilità, dispositivi non sospesi, intervallo | da 2.000 a 25.000 cm²/Vs | Intervallo della letteratura citato da Bolotin; il valore di 25.000 è a n = 5×1012 cm-2 | Bolotin 2008 |
| Mobilità, limite del SiO2 vicino alla temperatura ambiente | circa 40.000 cm²/Vs | Tetto dovuto ai soli fononi di superficie del SiO2, misurato in ultra alto vuoto | Chen 2008 |
| Mobilità, limite intrinseco dei fononi vicino alla temperatura ambiente | circa 200.000 cm²/Vs | Fononi acustici del grafene stesso, a n = 1012 cm-2 | Chen 2008 |
| Mobilità, grafene su hBN, a freddo | Termine di scattering coulombiano 60.000 cm²/Vs; mobilità di Hall 25.000 ad alta densità | Monostrato su hBN, fit a bassa temperatura; il termine coulombiano è circa 3 volte quello di un fit simile su SiO2 | Dean 2010 |
| Mobilità, stesso foglio su hBN e su SiO2 | circa 20.000 contro 2.000 cm²/Vs | Due zone dello stesso foglio, circa 4 K | Dean 2010 |
| Mobilità, sospeso, a freddo | oltre 200.000 cm²/Vs (picco 230.000) | Sospeso a 150 nm, ricotto con corrente, n = 2×1011 cm-2, temperatura base 5 K | Bolotin 2008 |
| Mobilità, sospeso, vicino alla temperatura ambiente | circa 120.000 cm²/Vs | 240 K, n = 2×1011 cm-2 | Bolotin 2008, studio in temperatura |
| Mobilità, grafene tra due cristalli di hBN | circa 100.000 cm²/Vs a 300 K; circa 140.000 a 4 K | Bassa densità, circa 1011 cm-2, lato lacune | Mayorov 2011 |
| Mobilità, pila hBN con contatti di bordo | oltre 140.000 cm²/Vs a temperatura ambiente | Pila di grande area; circa 40.000 all’alta densità che dà la resistenza di strato qui sotto | Wang 2013 |
| Mobilità, dispositivo da grande film CVD | 7.350 cm²/Vs (Hall) | Barra di Hall monostrato ricavata da un film CVD su rame, misurata a circa 6 K | Bae 2010 |
| Resistenza di strato, pila hBN sotto gate | meno di circa 40 ohm per quadro | Temperatura ambiente, n = 4,5×1012 cm-2 fissata da un gate, senza drogaggio | Wang 2013 |
| Resistenza di strato, limite dei fononi | circa 30 ohm per quadro | Temperatura ambiente; l’articolo la trova indipendente dalla densità di portatori | Chen 2008 |
| Resistenza di strato, film CVD monostrato | circa 125 ohm per quadro con circa 97% di trasmittanza | Film di grande area cresciuto su rame, trasferito con un supporto polimerico PMMA | Bae 2010 |
| Velocità di Fermi | circa 106 m/s | Circa 1/300 della velocità della luce | Castro Neto 2009 |
| Conducibilità minima | vicino a 4e²/h negli esperimenti | I valori si raccolgono lì su quasi 50 dispositivi; la maggior parte delle teorie dà 4e²/(πh) | Geim e Novoselov 2007 |
| Densità di corrente | qualche ×108 A/cm² | Foglio largo 4 µm, spessore assunto 0,35 nm, 76 K, atmosfera di elio | Moser 2007 |
Perché le mobilità coprono un fattore 100
Il grafene ha poco scattering intrinseco, quindi è l’ambiente a fissare la mobilità. Su SiO2 dominano le impurezze cariche e i fononi del substrato. Chen e colleghi hanno trovato che i soli fononi di superficie del SiO2 limitano la mobilità vicino a 40.000 cm²/Vs. I dispositivi reali stanno ben sotto.
Togliere il substrato ha aiutato. Nel campione 1 di Bolotin i portatori percorrono un cammino libero medio di circa 1,2 µm a n = 2×1011 cm-2. Un secondo studio su grafene sospeso ha mantenuto 120.000 cm²/Vs a 240 K. I suoi autori osservano che supera il miglior semiconduttore a temperatura ambiente che citano, InSb a 77.000.
La sospensione è fragile, quindi la strada pratica è l’hBN. Dean ha misurato circa 20.000 cm²/Vs su hBN e 2.000 su SiO2 nello stesso foglio. Mayorov ha poi sigillato il grafene tra due cristalli di hBN e ha visto circa 100.000 a temperatura ambiente, con trasporto balistico su circa 1 µm. Wang ha aggiunto contatti di bordo e ha raggiunto 140.000.
Serve una cautela. Queste mobilità record si leggono a bassa densità, vicino a 1011 cm-2 nel caso incapsulato. Il valore di Wang all’alta densità che dà 40 ohm per quadro è circa 40.000. Citare una mobilità senza la sua densità significa citare il caso migliore.
Resistenza di strato e conducibilità minima
Prendiamo n = 1012 cm-2. A 10.000 cm²/Vs la formula dà circa 620 ohm per quadro. A 200.000 dà circa 31 ohm, che coincide con il limite dei fononi di Chen. Sono nostri calcoli dai dati indicati.
La pila di Wang sotto gate è rimasta sotto circa 40 ohm per quadro. Moltiplicando per 0,35 nm, lo spessore usato da Moser, la resistività volumica equivalente è circa 14 nΩm. Il rame fa 16,78 nΩm a 20 °C. Wang scrive che la pila batte ogni metallo a temperatura ambiente. Il confronto richiede cautela, perché la pila contiene 4,5×1012 cm-2 portatori solo con la tensione di gate.
I film grandi raccontano una storia più modesta. Bae ha riportato un monostrato a circa 125 ohm per quadro con circa 97% di trasmittanza, contro circa 350 per il miglior valore monostrato precedente che citano. Un film di quattro strati drogato con acido nitrico ha raggiunto circa 30 ohm per quadro con circa 90% di trasparenza. Confrontano quel film con l’ossido di indio e stagno, sotto 100 ohm per quadro.
All’altro estremo, la conducibilità non sparisce quando sparisce la densità di portatori. Geim e Novoselov mostrano valori raccolti vicino a 4e²/h su quasi 50 dispositivi. Corrisponde a circa 6,45 kiloohm per quadro secondo il nostro calcolo. Il valore teorico 4e²/(πh) darebbe circa 20,3 kiloohm. Il disaccordo è diventato noto come «mistero della fetta mancante» (missing pie), e la loro rassegna ne lascia aperta la causa.
Cono di Dirac e velocità di Fermi
Vicino ai punti K del reticolo, l’energia del grafene cresce linearmente con l’impulso. Le due bande formano un cono con la punta a energia zero. I portatori si comportano come particelle senza massa, con una velocità della luce efficace di circa 106 m/s. Castro Neto e colleghi la collocano vicino a 1/300 della vera velocità della luce.
Chen ne ricava una conseguenza. A causa della dispersione lineare, la resistività dovuta a diffusori isotropi, come i fononi acustici, non dipende dalla densità di portatori. Per questo il limite dei fononi nella tabella qui sopra è un numero unico.
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Perché il grafene non ha uno stato spento, e come si apre un gap
Il canale di un transistor deve poter passare a corrente quasi nulla. Il grafene non ha gap, quindi continua a condurre al punto di neutralità. Geim e Novoselov segnalano rapporti on/off di circa 100 soltanto e definiscono il punto neutro metallico un problema serio per la logica corrente.
Tre strade aprono un gap. Nessuna raggiunge gli 1,12 eV del silicio.
| Strada | Gap | Condizioni | Fonte |
|---|---|---|---|
| Bistrato con campo perpendicolare | vicino a 200 meV | Gate superiore a elettrolita, n di circa 1,5×1013 cm-2, spettroscopia infrarossa | Mak 2009 |
| Bistrato con campo, intervallo atteso | fino a 0,3 eV | Con SiO2 come dielettrico | Geim e Novoselov 2007 |
| Nanonastri | circa 200 meV | Nastri larghi circa 15 nm, misurati a bassa temperatura; il gap cresce al ridursi della larghezza | Han 2007 |
| Monostrato allineato con hBN | circa 16 a 28 meV | Gap di attivazione termica da 190 a 320 K su quattro dispositivi; la conversione in meV è nostra | Hunt 2013 |
| Silicio, come scala | 1,12 eV | A 300 K | Wikipedia, Silicon |
Ogni strada ha un costo. Un bistrato polarizzato richiede un campo forte. Un nastro richiede bordi tagliati intorno a 10 nm, la larghezza che secondo Geim e Novoselov serve per funzionare a temperatura ambiente. L’hBN allineato dà un gap vicino all’energia termica, circa 25,9 meV a 300 K secondo il nostro calcolo.
Grafene a confronto con silicio, GaAs e rame
Questi confronti mescolano dispositivi e condizioni, quindi servono solo per orientarsi. I valori di silicio e GaAs vengono da un riferimento generale. I due gap e la mobilità del GaAs vi sono indicati a 300 K. La mobilità del silicio non ha temperatura né drogaggio indicati.
| Proprietà | Grafene | Silicio | GaAs | Rame |
|---|---|---|---|---|
| Band gap | 0 | 1,12 eV | 1,424 eV | nessuno (metallo) |
| Mobilità degli elettroni, cm²/Vs | circa 10.000 su SiO2; oltre 140.000 nell’hBN a 300 K | circa 1.400 | circa 9.000 | non applicabile |
| Resistività a 20 °C | circa 14 nΩm (pila hBN sotto gate, nostra stima) | non confrontata | non confrontata | 16,78 nΩm |
| Può spegnersi | No, on/off circa 100 | Sì | Sì | No |
Le mobilità di silicio e GaAs vengono dalla pagina Wikipedia sulla mobilità degli elettroni e dalla pagina sul GaAs. I gap vengono dalle pagine silicio e GaAs. Sono fonti secondarie. Per vedere come circolano i portatori nel silicio, leggete il nostro articolo sui portatori di carica.
Cosa questi numeri non dicono
I valori record vengono da piccoli fogli fatti in laboratorio. Il materiale CVD su scala di fetta sta molto più in basso, come mostra la mobilità di Hall di 7.350 cm²/Vs che Bae ha misurato a circa 6 K. Temperature e densità cambiano da riga a riga, quindi nessuna coppia di righe è un confronto a parità di condizioni.
Le fonti qui vanno dal 2007 al 2013. Non abbiamo riletto i lavori più recenti sui gap, quindi la tabella dei gap può sottostimare ciò che ottengono i dispositivi recenti.
Fonti
- Geim e Novoselov, The rise of graphene, Nature Materials 6, 183 (2007)
- Castro Neto et al., The electronic properties of graphene, Reviews of Modern Physics 81, 109 (2009)
- Bolotin et al., Ultrahigh electron mobility in suspended graphene, Solid State Communications 146, 351 (2008)
- Bolotin et al., Temperature dependent transport in suspended graphene (2008)
- Chen et al., Intrinsic and extrinsic performance limits of graphene devices on SiO2, Nature Nanotechnology 3, 206 (2008)
- Dean et al., Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics, Nature Nanotechnology 5, 722 (2010)
- Mayorov et al., Micrometer-scale ballistic transport in encapsulated graphene at room temperature, Nano Letters 11, 2396 (2011)
- Wang et al., One-dimensional electrical contact to a two-dimensional material, Science 342, 614 (2013)
- Moser, Barreiro e Bachtold, Current-induced cleaning of graphene, Applied Physics Letters 91, 163513 (2007)
- Bae et al., 30 inch roll-based production of high-quality graphene films for flexible transparent electrodes (preprint dell’articolo di Nature Nanotechnology, 2010)
- Mak et al., Observation of an electric-field induced band gap in bilayer graphene by infrared spectroscopy (2009)
- Han et al., Energy band-gap engineering of graphene nanoribbons, Physical Review Letters 98, 206805 (2007)
- Hunt et al., Massive Dirac fermions and Hofstadter butterfly in a van der Waals heterostructure, Science (2013)
- Wikipedia, Electron mobility (valori di silicio e GaAs, fonte secondaria)
- Wikipedia, Gallium arsenide (band gap e mobilità degli elettroni, fonte secondaria)
- Wikipedia, Silicon (band gap, fonte secondaria)
- Wikipedia, Copper (resistività a 20 °C, fonte secondaria)
Cita questo articolo
Turner, A. (2026, 9 novembre). Grafene: proprietà elettriche, i valori misurati. ScienceShot. https://scienceshot.com/it/post/grafene-proprieta-elettriche
Turner, Alex. “Grafene: proprietà elettriche, i valori misurati.” ScienceShot, 9 nov. 2026, scienceshot.com/it/post/grafene-proprieta-elettriche.
Turner, Alex. “Grafene: proprietà elettriche, i valori misurati.” ScienceShot, 9 novembre 2026. https://scienceshot.com/it/post/grafene-proprieta-elettriche.
@online{scienceshot-grafene-proprieta-elettriche-2026,
author = {Turner, Alex},
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date = {2026-11-09},
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