Bornitrid er en lovende vej til praktiske grafenenheder

(PhysOrg.com) -- Grafen er en todimensionel bikage af kulstof, kun et atom tykt, hvis spændende elektroniske egenskaber omfatter meget høj elektronmobilitet og meget lav resistivitet. Grafen er så følsomt over for sit miljø, imidlertid, at disse bemærkelsesværdige egenskaber kan ødelægges af interferens fra nærliggende materialer. At finde det bedste substrat til at montere grafen på er afgørende, hvis grafenenheder nogensinde skal blive praktiske.

Grupper ledet af Michael Crommie og Alex Zettl, videnskabsmænd i Materials Sciences Division ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og professorer i fysik ved University of California i Berkeley, er gået sammen om at undersøge de bedste substratkandidater til at bevare grafens iboende egenskaber. Resultaterne af deres forskning i grafens interaktion med et bornitridsubstrat dukkede for nylig op i Nano bogstaver .

"Ethvert substrat påvirker egenskaberne af grafen, så hvis du vil studere dets iboende egenskaber, er den bedste måde at arbejde med suspenderet grafen, siger Régis Decker, en tidligere postdoc i Crommie-gruppen, nu ved universitetet i Hamburg, Tyskland, og hovedforfatter af Nano Letters-rapporten. "Men suspenderet grafen er ret ustabil, når det undersøges med scanning probe teknikker som scanning tunneling mikroskopi" - STM - "fordi grafen membranen kan vibrere under spidsen. Så ideen er at finde et substrat, der efterligner tilfældet med suspenderet grafen."

En gruppe baseret på Columbia University rapporterede, i oktober 2010, at grafen understøttet på et bornitrid (BN) substrat havde dramatisk bedre elektronmobilitet end grafen monteret på det mest almindelige halvledersubstrat, siliciumdioxid (SiO ₂ ).

"Columbia-gruppen viste, at mobiliteten af ​​elektroner i grafen på bornitrid er meget bedre end grafen på siliciumdioxid, men der var mange spørgsmål, som deres makroskopiske målinger ikke besvarede, ” siger Crommie-gruppens Yang Wang, medforfatter af Nano Letters-rapporten. Crommie- og Zettl-grupperne sammenlignede de to systemer side om side for at finde ud af, hvorfor bornitrid fungerer så godt. "For at undersøge BN på atomær skala brugte vi STM til at opbygge et billede af systemets topografi og måle dets lokale elektroniske tilstande."

Søger efter, hvad der gør bornitrid til noget særligt

siger Decker, "For at et grafen-substratsystem skal være i stand til at efterligne suspenderet grafen, substratet har brug for et stort elektronisk båndgab og ingen dinglende bindinger, for at undgå enhver ændring i den elektroniske struktur af grafen. Underlaget skal også være meget fladt, som suspenderet grafen ville være. Bornitrid er en god kandidat, fordi det opfylder disse krav."

Det, der først tiltrak forskere til bornitrids potentiale som et grafensubstrat, var dets usædvanlige strukturelle egenskaber. I sin sekskantede struktur (h-BN), vekslende nitrogen- og boratomer efterligner den måde, kulstofatomer er arrangeret på i grafen. Bor- og nitrogenatomer i BN-forbindelser er parret ligeligt, og sammen deres valenselektroner (tre og fem, henholdsvis) lig med dem for et par carbonatomer (fire hver). Selvom h-BN-gitteret er omkring 1,7 procent større end grafen og ikke står mål med det, de to honeycombs lagt på hinanden kan justeres meget tættere end grafen på siliciumdioxid. I modsætning til grafen, som normalt ikke har noget båndgab, h-BN har et bredt båndgab, på grund af de vekslende bor- og nitrogenatomer i dets gitter.

For at skabe grafen/BN-enheder, Zettl-gruppen reducerede først bornitridkrystaller til små flager ved den gennemprøvede metode til at "eksfoliere" dem mellem strimler af Scotch Tape. BN-flagerne blev afsat på et lag af SiO ₂ , som blev dyrket på et lag doteret silicium, som på tur, blev brugt som en gate-elektrode til at indstille ladningskoncentrationen - en måde at "dope" grafenlaget ovenfor - under scanning tunneling mikroskopi.

Crommie-gruppens Qiong Wu skabte grafen ved hjælp af kemisk dampaflejring på kobber; på kobber, kulstofatomer samler sig selv til et honeycomb-gitter et enkelt atom tykt. Grafenpladerne blev overført fra kobber til blød plast og derefter placeret oven på bornitridflager ved at presse plastikken på BN. Hele samlingen blev udglødet ved høj varme.

Grafenlaget blev jordet ved at afsætte en titaniumguldelektrode på det. Tre grafen/BN-systemer blev lavet på denne måde, klar til direkte STM-sammenligninger med grafen på siliciumdioxid. STM-spidsen kunne scanne hen over grafenlaget, måling af topografi og lokale ladningskoncentrationer ved forskellige dopingniveauer bestemt af siliciumlags-gateelektroden.

Bornitrid versus siliciumdioxid

"Et par ting mentes at forstyrre elektronmobilitet i grafen på siliciumdioxid, ” siger Victor Brar fra Crommie-gruppen. "Den ene er urenheder, der doper grafenet og lokalt ændrer koncentrationen af ​​ladninger."

En sikker måde at forkorte den gennemsnitlige frie vej for elektroner (eller deres positivt ladede modstykker, elektronfravær kaldet huller) er at strø stien med forhindringer kendt som ladningspytter, som er udsving i lokale ladningskoncentrationer. I grafen på SiO _2, ladepytter er almindelige.

"Vi havde tidligere studeret egenskaberne af grafen/siliciumdioxid-systemer i detaljer, ” siger Michael Crommie, "og viste, at ladningspytter ikke er forårsaget af krusninger eller korrugeringer i grafenarket, som det var blevet foreslået, men snarere af urenheder under grafenlaget."

En kilde til disse urenheder kunne være fremmedlegemer fanget mellem grafen og underlaget, når grafenlaget påføres. Små luftbobler eller vandmolekyler eller andre fremmedlegemer kan fungere som dopingmidler.

"Da vi lavede grafen på bornitrid-enheder, ledte vi efter atmosfæriske urenheder, men vi så ingen beviser for deres virkninger, ” siger Brar. "Til fremstilling af praktiske grafenanordninger, det er gode nyheder, fordi det betyder, at de ikke skal samles i et vakuum."

En anden kilde til grafendoping og efterfølgende ladningskoncentrationer er dinglende bindinger i underlaget. En valenselektron tilgængelig for binding med et andet atom er en opskrift på kemisk reaktivitet, og siliciumdioxid har en høj koncentration af dinglende bindinger. Bornitrid, imidlertid, har ingen resterende elektroner til at danne dinglende bindinger.

STM-sammenligninger af de to systemer viste tydeligt forskellene mellem dem. Topografisk set, grafen på bornitrid er meget mindre ru end grafen på silicium, med højdeforskelle på de scannede overflader, der kun når omkring 40 picometer (trilliontedele af en meter). Højdeforskelle med siliciumdioxidsubstratet var op til 30 gange større.

elektronisk, variationer i ladningstæthed blev reduceret dramatisk i BN-substratet. Sammenlignet med de næsten uændrede værdier af bornitridsystemet, grafer af siliciumdioxid-systemer ligner moderne kunst farvefelt malerier.

Endelig, Decker siger, "fordi dens gitterkonstant er meget tæt på grafenens, teoretikere forudsagde, at dette inducerer et båndgab i grafen, som ville være interessant for applikationer" - hvis ikke for at bevare grafens iboende egenskaber. Crommie-gruppen undersøgte, hvordan elektroniske egenskaber kan variere i henhold til orienteringen af ​​grafenarket på bornitridsubstratet. De to, ikke-helt passende gitter forrådte deres tilpasning ved at udvise skiftende moiré-mønstre med forskellige orienteringer.

siger Wang, "Vi så mange forskellige justeringer, inklusive justeringer, der var næsten perfekte. Men grafenen viste stadig ingen båndgab." hvordan grafen er orienteret på et bornitridsubstrat gør ingen påviselig forskel i dets fremragende elektroniske egenskaber.

Michael Crommie siger, "Graphen/BN-systemet er virkelig meget pænere end noget andet substrat til en række applikationer. Der er mange færre urenheder, meget mindre ladningsinhomogenitet, meget mindre ujævnhed, og meget mere stabilitet – i det hele taget, et meget renere miljø til at studere grafens iboende egenskaber. Bornitrid er et virkelig fabelagtigt system til praktiske grafenenheder."