Selvsamlede monolag skaber p-n-kryds i grafenfilm

Forskere skaber grafen-p-n-forbindelser ved at overføre film af det elektroniske materiale til substrater, der er blevet mønstret af forbindelser, der enten er stærke elektrondonorer eller elektronacceptorer.

De elektroniske egenskaber ved grafenfilm påvirkes direkte af egenskaberne ved de substrater, de dyrkes på, eller som de overføres til. Forskere drager fordel af dette for at skabe grafen p-n-kryds ved at overføre film af det lovende elektroniske materiale til substrater, der er blevet mønstret af forbindelser, der enten er stærke elektrondonorer eller elektronacceptorer.

En lav temperatur, kontrollerbar og stabil metode er blevet udviklet til at dope grafenfilm ved hjælp af selvsamlede monolag (SAM), der modificerer grænsefladen af ​​grafen og dets støttesubstrat. Ved at bruge dette koncept, et team af forskere ved Georgia Institute of Technology har skabt grafen p-n-kryds – som er essentielle for at fremstille enheder – uden at beskadige materialets gitterstruktur eller væsentligt reducere elektron/hul-mobilitet.

Grafenen blev dyrket på en kobberfilm ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD), en proces, der muliggør syntese af film i stor skala og deres overførsel til ønskede substrater til enhedsanvendelser. Grafenfilmene blev overført til siliciumdioxidsubstrater, der var funktionaliserede med de selvsamlede monolag.

Information om oprettelse af grafen p-n-kryds ved hjælp af selvsamlede monolag blev præsenteret den 28. november, 2012 ved Materials Research Society's Efterårsmøde. Papirer, der beskriver aspekter af arbejdet, blev også offentliggjort i september 2012 i tidsskrifterne ACS Anvendte materialer og grænseflader og Journal of Physical Chemistry C . Finansiering til forskningen kom fra National Science Foundation, gennem Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) og gennem separate forskningsbevillinger.

"Vi har haft succes med at vise, at du kan lave temmelig godt dopet p-type og n-type grafen kontrollerbart ved at mønstre det underliggende monolag i stedet for at ændre grafen direkte, " sagde Clifford Henderson, en professor ved Georgia Tech School of Chemical &Biomolecular Engineering. "At lægge grafen oven på selvsamlede monolag bruger effekten af ​​elektrondonation eller elektronudtrækning nedenunder grafenet til at ændre materialets elektroniske egenskaber."

Georgia Tech -forskerholdet, der arbejder på projektet, omfatter fakultetsmedlemmer, postdoc-stipendiater og kandidatstuderende fra tre forskellige skoler. Ud over Henderson, Professorer, der er en del af holdet, omfatter Laren Tolbert fra School of Chemistry and Biochemistry og Samuel Graham fra Woodruff School of Mechanical Engineering. Projektgruppen omfatter også Hossein Sojoudi, en postdoc, og Jose Baltazar, en færdiguddannet forskningsassistent.

At skabe n-type og p-type doping i grafen - som ikke har noget naturligt båndgab - har ført til udvikling af flere tilgange. Forskere har erstattet nogle af kulstofatomerne i grafengitteret med nitrogenatomer, forbindelser er blevet påført på overfladen af ​​grafen, og kanterne af grafen nanobånd er blevet ændret. Imidlertid, de fleste af disse teknikker har ulemper, herunder forstyrrelse af gitteret – hvilket reducerer elektronmobilitet – og langsigtede stabilitetsproblemer.

"Hver gang du sætter grafen i kontakt med et underlag af enhver art, materialet har en iboende tendens til at ændre sine elektriske egenskaber, "Henderson sagde." Vi spekulerede på, om vi kunne gøre det på en kontrolleret måde og bruge det til vores fordel til at gøre materialet overvejende n-type eller p-type. Dette kunne skabe en dopingeffekt uden at indføre defekter, der ville forstyrre materialets attraktive elektronmobilitet."

Ved at bruge konventionelle litografiteknikker, forskerne skabte mønstre fra forskellige silanmaterialer på et dielektrisk substrat, sædvanligvis siliciumoxid. Materialerne blev valgt, fordi de enten er stærke elektrondonorer eller elektronacceptorer. Når en tynd film af grafen placeres over mønstrene, de underliggende materialer skaber ladede sektioner i grafenen, der svarer til mønstret.

"Vi var i stand til at dope grafen til både n-type og p-type materialer gennem en elektrondonation eller tilbagetrækningseffekt fra monolaget, "Henderson forklarede. "Det fører ikke til de substitutionsdefekter, der ses med mange af de andre dopingprocesser. Selve grafenstrukturen er stadig uberørt, som den kommer til os i overførselsprocessen. "

Monolagene er bundet til det dielektriske substrat og er termisk stabile op til 200 grader Celsius med grafenfilmen over dem, Sojoudi bemærkede. Georgia Tech-teamet har brugt 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) og perfluorooctyltriethoxysilane (PFES) til mønstring. I princippet, imidlertid, der er mange andre kommercielt tilgængelige materialer, der også kunne skabe mønstrene.

"Du kan bygge så mange n-type og p-type regioner, som du vil, " sagde Sojoudi. "Du kan endda trappe dopingen kontrollerbart op og ned. Denne teknik giver dig kontrol over dopingniveauet og hvad den dominerende bærer er i hver region."

Forskerne brugte deres teknik til at fremstille grafen p-n-kryds, hvilket blev verificeret ved oprettelsen af ​​felteffekttransistorer (FET). Karakteristiske I-V-kurver indikerede tilstedeværelsen af ​​to separate Dirac-punkter, som indikerede en energiadskillelse af neutralitetspunkter mellem p- og n-områderne i grafen, sagde Sojoudi.

Gruppen bruger kemisk dampaflejring til at skabe tynde film af grafen på kobberfolie. En tyk film af PMMA blev spin-coated oven på grafen, og det underliggende kobber blev derefter fjernet. Polymeren fungerer som en bærer for grafen, indtil den kan placeres på det monolagbelagte substrat, hvorefter den fjernes.

Udover at udvikle dopingteknikkerne, teamet er også ved at undersøge nye forstadier til materialer, der kan tillade CVD -produktion af grafen ved temperaturer, der er lave nok til at muliggøre fremstilling direkte på andre enheder. Det kunne eliminere behovet for at overføre grafen fra et substrat til et andet.

En lavpris, lavtemperaturmidler til fremstilling af grafen kunne også give filmene mulighed for at finde bredere anvendelser i skærme, solceller og organiske lysdioder, hvor store ark grafen ville være nødvendige.

"Det virkelige mål er at finde måder at fremstille grafen ved lavere temperaturer og på måder, der giver os mulighed for at integrere det med andre enheder, enten silicium CMOS eller andre materialer, der ikke kunne tolerere de høje temperaturer, der kræves for den indledende vækst, " sagde Henderson. "Vi kigger på måder at gøre grafen til et nyttigt elektronisk eller opto-elektronisk materiale ved lave temperaturer og i mønstrede former."