Forskere får det første detaljerede kig på nitrogendoping i enkeltlags grafen

(PhysOrg.com) -- Styrken, fleksibilitet, gennemsigtighed og høj elektrisk ledningsevne af enkeltlags grafen gør det til et potentielt unikt og værdifuldt materiale til den næste generation af elektroniske enheder. Lavet af kulstofatomer arrangeret i et bikagemønster – tænk på et hønsetrådshegn – det er 97 procent gennemsigtigt og 1, 000 gange stærkere end stål.

Forskere arbejder på måder at tune egenskaberne af grafen til specifikke elektroniske applikationer. En måde at gøre det på er ved at doping – at indføre små mængder af andre elementer, såsom nitrogen eller fosfor, som enten tilføjer eller trækker elektroner fra systemet. Udbredt i siliciumteknologi, doping er blevet udført eksperimentelt i enkeltlags grafenplader; men indtil nu, detaljerne om, hvordan dopingatomerne passer ind i arket og binder sig til deres kulstof-naboer, forblev uhåndgribelige.

I en undersøgelse rapporteret 9. august i Videnskab , forskere fra Columbia University, Sejong University i Korea og SLAC og Brookhavens nationale laboratorier brugte en kombination af fire teknikker til at lave de første detaljerede billeder af nitrogen-doteret grafenfilm. De viste, at individuelle nitrogenatomer havde taget kulstofatomernes plads i det todimensionelle ark; at omkring halvdelen af ​​den ekstra elektron, som hvert nitrogenatom bidrog med, var fordelt i hele grafengitteret; og at dette ændrede grafenarkets elektroniske struktur kun inden for en kort afstand - omtrent på bredden af ​​to kulstofatomer - fra dopingatomerne. Evnen til at kontrollere den elektroniske struktur på atomniveau har vigtige konsekvenser for tuning af grafens unikke elektroniske egenskaber til bestemte enhedsapplikationer.

"Vi forsøger ikke at arbejde på eksisterende systemer og gøre dem bedre. Vi leder efter nye retninger, der potentielt kan muliggøre meget højere effektivitet, ” sagde papirets medforfatter Theanne Schiros, en overfladeforsker ved Department of Energy's Energy Frontier Research Center i Columbia, der undersøger grafen som en mulig elektrode til nye fotovoltaiske enheder.

"Nu ser vi, at doping er en strategi, der kan anvendes til grafen rent og robust, " sagde hun, at give en potentiel måde at skabe grafenfilm af høj kvalitet til brug i elektroniske applikationer, herunder solceller.

Schiros er ikke fremmed for SLAC, efter at have gjort sin ph.d. arbejde her under Anders Nilsson. Hendes nuværende arbejde hos Columbia fokuserer på at bruge røntgenstråler fra synkrotronlyskilder til at undersøge nye materialer til brug i vedvarende energiteknologier.

Til denne undersøgelse, hun vendte tilbage til SLAC for at arbejde sammen med Dennis Nordlund, en stabsforsker ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), hvor de seneste opgraderinger gjorde det muligt for dem automatisk at scanne mange prøver af de nitrogen-doterede grafenfilm på én gang.

Forskerholdet dyrkede filmene ved at afsætte kemisk damp på et tyndt lag kobberfolie.

De analyserede nogle prøver af film, mens den var på kobberfolien, og overførte andre til siliciumdioxid, standardsubstratet til enhedsmålinger, til test. Hver prøve blev undersøgt med Raman spektroskopi og scanning tunneling microscopy (STM) ved Columbia, og med røntgenstråler ved SLACs SSRL, og Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS).

Raman-spektrene viste, at nitrogen-doteringsmidlet havde ændret grafenarkets elektroniske egenskaber uden at forstyrre dets grundlæggende struktur. Røntgenmålinger ved SSRL-strålelinjer 10-1 og 13-2 og NSLS-strålelinje U7A indikerede, at nitrogenatomerne lå inden for grafenarkets plan og hver havde bundet sig til tre carbon-naboer; med andre ord, hvert nitrogenatom havde erstattet et kulstof i arket.

Endelig, STM-billederne viste nitrogenatomerne som lyse pletter på grafenoverfladen. Ved at tælle disse pletter, forskerne fastslog, at koncentrationen af ​​nitrogen-dotering pr. kulstofatom varierede fra 0,23 til 0,35 procent. Billederne afslørede også, at nitrogenatomerne stak ud fra grafenlaget med omkring 0,6 Ångstrøm, som de ville, hvis de havde erstattet kulstof i gitteret. Disse resultater var i overensstemmelse med STM billedsimuleringer baseret på teori.

Hovedforfatteren af ​​papiret var Columbia fysik kandidatstuderende Liuyan Zhao, arbejder i laboratoriet hos Abhay N. Pasupathy, og arbejdet blev udført i samarbejde med Energy Frontier Research Center i Columbia, som tæller SLAC og Stanford blandt sine samarbejdspartnere.