Halvleder fungerer bedre, når den er koblet til grafen

Grafen – et atom-tykt ark kulstof med meget ønskværdige elektriske egenskaber, fleksibilitet og styrke – viser et stort løfte for fremtidens elektronik, avancerede solceller, beskyttende belægninger og andre anvendelser, og at kombinere det med andre materialer kan udvide dets sortiment endnu mere.

Eksperimenter ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory kiggede på egenskaberne af materialer, der kombinerer grafen med en almindelig type halvledende polymer. De fandt ud af, at en tynd film af polymeren transporterede elektrisk ladning endnu bedre, når den blev dyrket på et enkelt lag grafen, end den gør, når den placeres på et tyndt lag silicium.

"Vores resultater er blandt de første til at måle ladningstransporten i disse materialer i lodret retning - den retning, ladningen bevæger sig i organiske fotovoltaiske enheder som solceller eller i lysemitterende dioder, " sagde David Barbero fra Umeå Universitet i Sverige, leder af det internationale forskerhold, der udførte eksperimenterne ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), en DOE Office of Science brugerfacilitet. "Resultatet var noget forventet, fordi grafen og silicium har forskellige krystallinske strukturer og elektriske egenskaber."

Men holdet opdagede også noget meget uventet, han sagde.

Selvom det var en udbredt antagelse, at en tyndere polymerfilm skulle gøre det muligt for elektroner at rejse hurtigere og mere effektivt end en tykkere film, Barbero og hans team opdagede, at en polymerfilm med en tykkelse på omkring 50 nanometer førte ladning omkring 50 gange bedre, når den blev aflejret på grafen, end den samme film på omkring 10 nanometer tyk.

Holdet konkluderede, at den tykkere films struktur, som består af en mosaik af krystallitter orienteret i forskellige vinkler, danner sandsynligvis en kontinuerlig vej af indbyrdes forbundne krystaller. Det her, de teoretiserer, muliggør lettere ladningstransport end i en almindelig tynd film, hvis tynde, pladelignende krystalstrukturer er orienteret parallelt med grafenlaget.

Ved bedre at kontrollere tykkelsen og den krystallinske struktur af den halvledende film, det kan være muligt at designe endnu mere effektive grafen-baserede organiske elektroniske enheder.

"De felter, der mest sandsynligt vil drage fordel af dette arbejde, er sandsynligvis næste generation af fotovoltaiske enheder og fleksible elektroniske enheder, sagde Barbero. Fordi grafen er tyndt, let og fleksibel, der er en række potentielle anvendelser."