Røntgenstråler belyser nitrogens rolle i enkeltlags grafen

(Phys.org) —Forskere, der bruger røntgenstråler til at studere et enkelt atom-tykt lag kulstof, kaldet grafen, har lært nye oplysninger om dets atombinding og elektroniske egenskaber, når materialet "dopes" med nitrogenatomer. De viser, at synkrotron røntgenteknikker kan være glimrende værktøjer til at studere og bedre forstå adfærden for dopet grafen, som bliver øjnet til brug som et lovende kontaktmateriale i elektroniske enheder på grund af dets mange ønskelige egenskaber, herunder en høj ledningsevne og, især, indstillelige elektroniske egenskaber.

Doping af grafen med små mængder af et andet element, såsom nitrogen eller bor, gør det til enten et "n-type" materiale (med overskydende negative ladningsbærere, dvs. elektroner) eller et "p-type" materiale (der har overskydende positive ladningsbærere, elektroner, der kaldes "huller"). På denne måde, doping giver forskere mulighed for at "tune" dens egenskaber, herunder typer af bindinger mellem atomerne og hvordan ladningsbærere fordeles. Denne form for kontrol er nøglen, når der udvikles et materiale med specifikke applikationer for øje. Et lignende eksempel er doping af silicium, der anvendes i siliciumbaserede solceller; Ja, dopet grafen undersøges for dets potentielle anvendelse som kontaktmateriale i solceller (blandt dets mange egnede kvaliteter til en sådan rolle er dets gennemsigtighed over for synligt lys, en nødvendig funktion til en elektrisk solcellekontakt).

I dette arbejde, forskerne opdagede, at der kan være flere bindingstyper mellem kulstof- og nitrogenatomer, selv inden for det samme grafenark. Dette resulterer i dybt forskellige virkninger på ladningsbærerkoncentrationen på tværs af arket, hvilket ikke er ideelt.

"Vores resultater tyder på, at styring af bindningstyperne i kemisk dopet grafen vil være en afgørende del af at skræddersy dets egenskaber til en bestemt anvendelse og fremme grafenbaseret elektronik generelt, "sagde Theanne Schiros, undersøgelsens tilsvarende videnskabsmand, der er forsker ved Energy Frontier Research Center ved Columbia University. Hun er også hovedforfatter på det tilsvarende publicerede papir i Nano bogstaver .

Papirets medforfattere omfatter kolleger ved Columbia University samt Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), CNR-Nanoscience Institute (Italien), Sejong University (Korea), det nationale institut for standarder og teknologi, Stockholms universitet (Sverige), og Brookhaven National Laboratory.

Gruppens røntgendata viser, at mens det er muligt at oprette n-type grafen-hvor et enkelt nitrogenatom erstatter et enkelt carbonatom, kaldet en grafitisk binding - op til tre bindingstyper kan observeres i et enkelt ark afhængigt af behandlings- og vækstbetingelser. Disse svarer til de tre måder, hvorpå et nitrogenatom og et carbonatom kan dele elektroner.

Virkningerne af hver type på grafenets elektroniske struktur er ganske forskellige. For eksempel, nitrogenatomer, der danner en "grafitisk" binding med carbonatomer, hvilket betyder, at nitrogen og kulstof deler to elektroner, har en tendens til at øge antallet af ladningsbærere i materialet. "Pyridiniske" og "nitrile" bindinger, på den anden side, har en tendens til at trække ladningsbærere tilbage fra kulstofgitteret.

Ved NSLS beamline U7A og SSRL beamlines 10-1 og 13-2, Schiros og hendes gruppe anvendte tre røntgenteknikker til at studere deres grafenprøver:røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS), og røntgenemissionsspektroskopi (XES). Hver fungerer ved at udnytte en måde, hvorpå røntgenstråler kan interagere med en prøve, derfor giver hver en unik information om denne prøve.

XPS måler antallet og energierne af elektronerne, der undslipper overfladen af ​​en prøve, når den belyses med røntgenstråler, og giver derfor information om elementær koncentration og bindingsenergier, som afspejler det lokale kemiske bindingsmiljø. XAS giver direkte information om typen af ​​binding mellem nitrogen- og carbonatomer, orienteringen af ​​dette bånd, og de ubeboede molekylære orbitaler dannet mellem doping- og værtsatomer. XES giver komplementære, atomspecifikke oplysninger om de besatte elektronenerginiveauer i nærheden af ​​"Fermi-niveauet, "som spiller en nøglerolle i grafens elektroniske adfærd.

Når det kombineres med teoretiske beregninger, de tre teknikker giver et klart billede af dopingernes rolle i grafenets elektroniske adfærd.

Denne undersøgelse blev offentliggjort den 29. 2012, online udgave af Nano bogstaver .