Belysning af grafens elektroniske egenskaber

Danske forskere har for første gang kortlagt bærermobiliteten og tætheden af ​​store plader af grafen med elektromagnetisk stråling.

I det sidste årti, den sædvanlige måde at måle grafens elektroniske egenskaber på – især bærermobilitet og bærertæthed, som tilsammen giver pladen konduktans – har været at fremstille en transistorlignende enhed og elektronisk måle, hvordan konduktansen ændrer sig som funktion af påført elektrostatisk gatespænding. Denne helelektroniske tilgang er bedst, når man har at gøre med små stykker grafen, såsom de mikroskopiske flager fremstillet ved mikromekanisk spaltning (også kendt som 'scotch-tape-metoden') – dog, fremskridt inden for grafenproduktionsteknikker giver os nu mulighed for kontinuerligt at producere store områder af grafen meter på tværs. At producere og måle tusinder eller millioner af mikroskopiske enheder fra sådanne ark ville være upraktisk og ville reducere det nyttige område af grafen til den tilsigtede anvendelse. Vi skal være i stand til at kontrollere de elektroniske egenskaber i så store regioner uden at ødelægge dem i processen.

Forskere ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har vist, at både bærermobiliteten og bærertætheden af ​​grafen kan måles på en rumligt opløst og ikke-destruktiv måde – hvilket giver 'kort' over de elektroniske egenskaber, der er afgørende for en vellykket brug af grafen i solcelleanlæg, elektronik, spintronik og optik – ved at bruge terahertz (THz) stråling og fjerne behovet for at fremstille enheder. Ved at bruge en procedure kendt som THz-tidsdomænespektroskopi, Jonas Buron og kolleger fra DTU forskerhold ledet af Peter Uhd Jepsen og Peter Bøggild målte bærermobiliteten og bærertætheden ved titusindvis af punkter i et centimeter stort enkelt lag grafen.

Et vigtigt trin i disse første kontaktfrie målinger af grafens elektroniske egenskaber var erkendelsen af, at grafenkonduktansen kunne indstilles under målingerne ved hjælp af en bagdør, som er transparent for THz-stråling. "Mens vi stadig mangler at overføre grafen til et specielt substrat med den THz-usynlige port, det er langt nemmere og mindre ødelæggende end konventionelle teknikker... og meget, meget hurtigere", siger Jonas Buron. Til mange elektroniske anvendelser af grafen, fremstillingen af ​​en bagdør er alligevel et nødvendigt skridt. "Med en vis optimering kunne vi potentielt kortlægge transportørens mobilitet og tæthed af en grafenbelagt 4-tommer wafer på få minutter."

Kortene over grafens elektroniske egenskaber giver allerede indsigt og overraskelser om oprindelsen af ​​deres rumlige variation - i en prøve, forskerne observerede dobbelt så stor variation i mobilitet som i bærertæthed. Variationer i konduktans tilskrives normalt bærertæthedsændringer på grund af dopingvariationer, men forskerne beviste, at her var det ikke tilfældet. "Vi har ofte bemærket så langsomme variationer af ledningsevnen over mange centimeter i THz-målinger." Peter Bøggild forklarede. "Men da grafen er så let dopet på grund af dets ekstreme overflade-til-volumen-forhold, vi forventede altid, at disse var relateret til variationer i lokale dopingniveauer. I dette tilfælde, vi har den stik modsatte situation, og dette er gådefuldt. Uden denne mobilitetskortlægningsteknik ville vi aldrig have kendt det."

THz-TDS-teknikken har et stærkt potentiale, tilføjer Peter Uhd Jepsen. "Det er allerede overraskende, hvor dyb information vi kan udvinde fra at sende stråling gennem et kun 0,3 nm tyndt ark af kulstofatomer, som er understøttet af et 1,5 millioner gange tykkere stykke silicium. Vi lærer stadig at karakterisere de elektriske egenskaber af grafen uden elektriske kontakter, og der ser ud til at være fremragende muligheder for at forbedre og fremskynde teknikken."