Doterede grafen nanobånd med potentiale

Grafen er en halvleder, når det fremstilles som et ultrasmalt bånd - selvom materialet faktisk er et ledende materiale. Forskere fra Empa og Max Planck Institute for Polymer Research har nu udviklet en ny metode til selektivt at dope grafenmolekyler med nitrogenatomer. Ved sømløst at sammenkæde doterede og udopede grafenstykker, de var i stand til at danne "heterojunctions" i nanobåndene, derved opfylder et grundlæggende krav om, at elektronisk strøm kun kan flyde i én retning, når der påføres spænding - det første skridt mod en grafentransistor. Desuden, holdet har med succes formået at fjerne grafen nanobånd fra guldsubstratet, som de blev dyrket på, og at overføre dem til et ikke-ledende materiale.

Grafen har mange fremragende egenskaber:det leder varme og elektricitet, det er gennemsigtigt, hårdere end diamant og ekstremt stærk. Men for at bruge det til at konstruere elektroniske kontakter, et materiale skal ikke kun være en fremragende leder, den skal også kunne skiftes mellem "tændt" og "slukket". Dette kræver tilstedeværelsen af ​​et såkaldt bandgap, som gør det muligt for halvledere at være i en isolerende tilstand. Problemet, imidlertid, er, at båndgabet i grafen er ekstremt lille. Empa-forskere fra "nanotech@surfaces"-laboratoriet udviklede således for noget tid siden en metode til at syntetisere en form for grafen med større båndgab ved at lade ultrasmalle grafen-nanobånd "vokse" via molekylær selvsamling.

Grafen nanobånd lavet af forskelligt dopede segmenter

Forskerne, ledet af Roman Fasel, har nu opnået en ny milepæl ved at lade grafen nanobånd bestående af forskelligt dopede undersegmenter vokse. I stedet for altid at bruge de samme "rene" kulstofmolekyler, de brugte yderligere dopede molekyler – molekyler forsynet med "fremmede atomer" i præcist definerede positioner, i dette tilfælde nitrogen. Ved at samle "normale" segmenter med nitrogen-doterede segmenter på en guldoverflade (Au (111)), der skabes såkaldte heterojunctions mellem de enkelte segmenter. Forskerne har vist, at disse udviser lignende egenskaber som dem for et klassisk p-n-kryds, dvs. et kryds med både positive og negative ladninger på tværs af forskellige områder af halvlederkrystallen, derved skabes den grundlæggende struktur, der muliggør udvikling af mange komponenter, der anvendes i halvlederindustrien. Et p-n-kryds får strømmen til kun at flyde i én retning. På grund af den skarpe overgang ved heterojunction-grænsefladen, den nye struktur gør det også muligt at adskille elektron/hul-par effektivt, når en ekstern spænding påføres, som teoretisk demonstreret af teoretikere ved Empa og samarbejdspartnere ved Rensselaer Polytekniske Institut. Sidstnævnte har en direkte indflydelse på solcellernes effektudbytte. Forskerne beskriver de tilsvarende heterojunctions i segmenterede grafen nanobånd i det nyligt offentliggjorte nummer af Natur nanoteknologi .

Overførsel af grafen nanobånd til andre substrater

Ud over, forskerne har løst et andet nøgleproblem for integrationen af ​​grafen nanoteknologi i konventionel halvlederindustri:hvordan overfører man de ultrasmalle grafenbånd til en anden overflade? Så længe grafen nanobåndene forbliver på et metalsubstrat (såsom guld, der bruges her), kan de ikke bruges som elektroniske kontakter. Guld leder og skaber dermed en kortslutning, der "saboterer" grafenbåndets tiltalende halvledende egenskaber. Fasels team og kolleger ved Max-Planck-Institute for Polymer Research i Mainz er lykkedes med at vise, at grafen nanobånd kan overføres effektivt og intakte ved hjælp af en relativt simpel ætsnings- og renseproces på (stort set) ethvert underlag, for eksempel på safir, calciumfluorid eller siliciumoxid.

Grafen fremstår således i stigende grad som et interessant halvledermateriale og en velkommen tilføjelse til det allestedsnærværende silicium. De halvledende grafen nanobånd er særligt attraktive, da de tillader mindre og dermed mere energieffektive og hurtigere elektroniske komponenter end silicium. Imidlertid, den generelle brug af grafen nanobånd i elektroniksektoren forventes ikke i den nærmeste fremtid, dels på grund af skaleringsproblemer og dels vanskeligheden ved at erstatte veletableret konventionel siliciumbaseret elektronik. Fasel vurderer, at det stadig kan tage omkring 10 til 15 år, før den første elektroniske switch lavet af grafen nanobånd kan bruges i et produkt.

Grafen nanobånd til fotovoltaiske komponenter

Fotovoltaiske komponenter kunne også en dag være baseret på grafen. I et andet papir udgivet i Naturkommunikation , Pascal Ruffieux – også fra Empa "nanotech@surfaces" laboratoriet – og hans kolleger beskriver en mulig brug af grafenstrimler, for eksempel i solceller. Ruffieux og hans team har bemærket, at særligt smalle grafen nanobånd absorberer synligt lys usædvanligt godt og er derfor særdeles velegnede til brug som absorberende lag i organiske solceller. Sammenlignet med "normalt" grafen, som absorberer lys ligeligt ved alle bølgelængder, lysabsorptionen i grafen nanobånd kan øges enormt på en kontrolleret måde, hvorved forskere "sætter" bredden af ​​grafen nanobåndene med atomær præcision.