Forskere bruger lys til at dope grafenbornitrid-heterostrukturer

(Phys.org) —Graphene fortsætter med at regere som det næste potentielle superstjernemateriale til elektronikindustrien, en slankere, stærkere og meget hurtigere elektronleder end silicium. Uden naturligt energibåndgab, imidlertid, graphens superhurtige ledningsevne kan ikke slås fra, en alvorlig ulempe for transistorer og andre elektroniske enheder. Forskellige teknikker er blevet indsat for at overvinde dette problem, hvor en af ​​de mest lovende er integrationen af ​​ultratynde lag af grafen og bornitrid i todimensionelle heterostrukturer. Som dirigenter, disse dobbeltlagshybrider er næsten lige så hurtige som ren grafen, plus de er velegnede til fremstilling af enheder. Imidlertid, at skræddersy de elektroniske egenskaber af grafenbornitrid (GBN) heterostrukturer har været en vanskelig affære, involverer kemisk doping eller elektrostatisk gating – indtil nu.

Forskere med Berkeley Lab og University of California (UC) Berkeley har demonstreret en teknik, hvorved de elektroniske egenskaber af GBN-heterostrukturer kan modificeres med synligt lys. Feng Wang, en kondenseret stof-fysiker med Berkeley Lab's Materials Sciences Division og UC Berkeley's Physics Department, samt en efterforsker for Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley, ledet en undersøgelse, hvor foto-induceret doping af GBN-heterostrukturer blev brugt til at skabe p–n-kryds og andre nyttige dopingprofiler, samtidig med at materialets bemærkelsesværdigt høje elektronmobilitet blev bevaret.

"Vi har demonstreret, at synligt lys kan inducere en robust skrivning og sletning af ladningsdoping i GBN-heterostrukturer uden at ofre høj mobilitet, " Wang siger. "Brugen af ​​synligt lys giver os utrolig fleksibilitet og, i modsætning til elektrostatisk gating og kemisk doping, kræver ikke flertrins fremstillingsprocesser, der reducerer prøvekvaliteten. Derudover forskellige mønstre kan bibringes og slettes efter ønske, hvilket ikke var muligt med dopingteknikker, der tidligere blev brugt på GBN-heterostrukturer."

Grafen er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter. Bornitrid er en lagdelt forbindelse, der har et lignende sekskantet gitter - faktisk omtales sekskantet bornitrid undertiden som "hvid grafen." Bundet sammen af ​​den relativt svage intermolekylære attraktion kendt som van der Waals-kraften, GBN-heterostrukturer har vist et stort potentiale til at tjene som platforme, ikke kun for transistorer med høj elektronmobilitet, men også til optoelektroniske applikationer, herunder fotodetektorer og fotovoltaiske celler. Nøglen til fremtidig succes vil være evnen til at dope disse materialer på en kommercielt skalerbar måde. Den foto-inducerede modulations-dopingteknik udviklet af Wang og et stort team af samarbejdspartnere opfylder dette krav, da det kan sammenlignes med de fotolitografiske skemaer, der i vid udstrækning anvendes i dag til masseproduktion i halvlederindustrien. Belysning af en GBN-heterostruktur, selv med kun en glødelampe, kan modificere elektrontransporten i grafenlaget ved at inducere en positiv ladningsfordeling i bornitridlaget, der bliver fikseret, når belysningen slukkes.

"Vi har vist, at denne foto-inducerede doping opstår fra mikroskopisk koblede optiske og elektriske responser i GBN-heterostrukturerne, herunder optisk excitation af defektovergange i bornitrid, elektrisk transport i grafen, og ladningsoverførsel mellem bornitrid og grafen, " siger Wang. "Dette er analogt med moduleringsdopingen, der først blev udviklet til højkvalitets halvledere."

Mens den foto-inducerede modulationsdoping af GBN-heterostrukturer kun varede et par dage, hvis prøven blev holdt i mørke - yderligere eksponering for lys slettede effekten - dette er ikke en bekymring, som Wang forklarer.

"Et par dages moduleringsdoping er tilstrækkeligt til mange muligheder for videnskabelig undersøgelse, og for nogle enhedsapplikationer, den genskrivbarhed, vi kan levere, er mere nødvendig end langsigtet stabilitet, " siger han. "For øjeblikket, Det, vi har, er en simpel teknik til inhomogen doping i et højmobilitetsgrafenmateriale, der åbner døren til nye videnskabelige undersøgelser og anvendelser."