En ny laserbaseret kloreringsproces til at skabe høje dopingmønstre i grafen

I de senere år har elektronik- og kemiingeniører udtænkt forskellige kemiske dopingteknikker til at kontrollere fortegn og koncentration af ladningsbærere i forskellige materialeprøver. Kemiske dopingmetoder indebærer i det væsentlige at indføre urenheder i materialer eller stoffer for at ændre deres elektriske egenskaber.

Disse lovende metoder er med succes blevet anvendt på flere materialer, herunder van der Waals (vdW) materialer. VdW-materialer er strukturer kendetegnet ved stærkt bundne 2D-lag, som er bundet i den tredje dimension gennem svagere spredningskræfter.

Forskere ved University of California, Berkeley (UC Berkeley), Kavli Energy Nanosciences Institute, Beijing Institute of Technology, Shenzhen University, Tsinghua University introducerede for nylig en ny justerbar og reversibel tilgang til kemisk doping af grafen. Deres tilgang, introduceret i et papir offentliggjort i Nature Electronics , er baseret på laser-assisteret klorering.

"Konventionelle metoder baseret på substitutionsdoping eller overfladefunktionalisering resulterer i nedbrydning af elektrisk mobilitet på grund af strukturel uorden, og den maksimale dopingtæthed er fastsat af opløselighedsgrænsen for dopingmidler," skrev Yoonsoo Rho og hans kolleger i deres papir. "Vi viser, at en reversibel laser-assisteret kloreringsproces kan bruges til at skabe høje dopingkoncentrationer (over 3 × 10 ¹³ cm ⁻² ) i grafen monolag med minimale fald i mobilitet."

For at implementere deres tilgang brugte Rho og hans kolleger en ultraviolet (UV) nanosekund laserstråle med en bølgelængde på λ=213 nm (5,8 eV). De justerede denne stråle parallelt med overfladen af ​​deres prøve under en flydende Cl₂ gas.

Den fokuserede UV-pulserende laser kan fotokemisk dissociere Cl₂ molekyler, der genererer Cl-radikler, der diffunderer gennem grafenprøven. Efter at de havde anvendt deres metode på en grafenprøve, indsamlede forskerne målinger for at bestemme dens virkninger på ladningsbærernes tæthed og mobilitet.

Efterfølgende brugte holdet en fototermisk proces til at fjerne Cl-dopingmidlet. Denne proces anvendte en kontinuerlig bølge (CW) grøn laser med en bølgelængde på (λ=532 nm (2,3 eV)), som blev påført i normal retning med en brændvidde på 2 μm (1/e2).

"Vores tilgang bruger to lasere - med forskellige fotonenergier og geometriske konfigurationer - der er designet til kloring og efterfølgende klorfjernelse, hvilket gør det muligt at skrive og slette stærkt dopede mønstre uden at beskadige grafenen," skrev Rho og hans kolleger i deres papir.

For at evaluere deres reversible dopingmetode brugte holdet den til at skabe genskrivbare fotoaktive junctions til grafen-baserede fotodetektorer. De fandt ud af, at deres laserassisterede kloreringsmetode resulterede i mættede ultrahøje dopingkoncentrationer, hvilket resulterede i et minimalt fald i ladningsbærernes mobilitet. Når Cl-doteringsmidlet blev fjernet, blev de dopede mønstre desuden fuldstændigt slettet uden at forårsage nogen strukturel skade på grafenet.

I fremtiden vil den laser-assisterede tilgang introduceret af dette team af forskere blive brugt til at introducere forskellige dopingelementer i 2D van der Waals materialer. Dette kunne igen muliggøre reversibel introduktion af værdifulde elektroniske funktioner til optoelektroniske enheder. + Udforsk yderligere

Ren dopingstrategi producerer mere responsive fototransistorer

© 2022 Science X Network