Effektiv grafendoping afhænger af substratmateriale

Juelich -fysikere har opdaget uventede effekter i dopet grafen - dvs. grafen, der er blandet med fremmede atomer. De undersøgte prøver af carbonforbindelsen beriget med det fremmede atom nitrogen på forskellige substratmaterialer. Uønskede interaktioner med disse substrater kan påvirke grafens elektriske egenskaber. Forskerne ved Peter Gruenberg Instituttet har nu vist, at effektiv doping afhænger af valg af substratmateriale. Forskernes resultater blev offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Hårdere end diamant og hårdere end stål, let vægt, gennemsigtig, fleksibel, og ekstremt ledende:maskematerialet grafen betragtes som fremtidens materiale. Det kunne gøre computere hurtigere, mobiltelefoner mere fleksible, og berøringsskærme tyndere. Men indtil videre, den industrielle produktion af kulstofgitteret, som kun er et atom tykt, har vist sig problematisk:i næsten alle tilfælde, et underlag er påkrævet. Søgningen efter et egnet materiale til dette formål er en af ​​de største udfordringer på vejen mod praktiske anvendelser, for hvis der opstår uønskede interaktioner, de kan få grafen til at miste sine elektriske egenskaber.

I nogle år, forskere har testet siliciumcarbid - en krystallinsk forbindelse af silicium og kulstof - for dets egnethed som substratmateriale. Når materialet opvarmes til mere end 1400 grader Celsius i en argonatmosfære, grafen kan dyrkes på krystallen. Imidlertid, dette 'epitaksiale monolag grafen' viser - meget let - interaktion med substratet, hvilket begrænser dets elektronmobilitet.

For at omgå dette problem, hydrogen indføres i grænsefladen mellem de to materialer. Denne metode er kendt som hydrogeninterkalering. Bindingerne mellem grafen og substratmateriale adskilles og mættes af hydrogenatomerne. Dette undertrykker den elektroniske påvirkning af siliciumkrystal, mens grafen forbliver mekanisk forbundet med substratet:kvasi-fritstående monolagsgrafen.

Højpræcisionsmålinger med stående røntgenstråler

Til praktiske anvendelser, grafens elektriske egenskaber skal kunne ændres - for eksempel ved at indføre yderligere elektroner i materialet. Dette sker ved målrettet "kontaminering" af kulstofgitteret med fremmede atomer. Til denne proces, kendt som doping, grafen bombarderes med nitrogenioner og glødes derefter. Dette resulterer i defekter i gitterstrukturen:nogle få kulstofatomer - færre end 1 % - adskilt fra gitteret og erstattes med nitrogenatomer, som medbringer yderligere elektroner.

Forskere ved Juelichs Peter Gruenberg Institute - Functional Nanostructures at Surfaces (PGI -3) har nu, for første gang, undersøgt, om og hvordan strukturen af ​​substratmaterialet påvirker denne dopingproces. Ved synkrotronstrålingskilden Diamond Light Source i Didcot, Oxfordshire, Storbritannien, Francois C. Bocquet og hans kolleger dopede prøver af epitaksial og næsten fritstående monolag grafen og undersøgte dets strukturelle og elektroniske egenskaber. Ved hjælp af stående røntgenbølgefelter, de var i stand til at scanne både grafen og substrat med en præcision på et par milliontedele af en mikrometer - mindre end en tiendedel af atomets radius.

Nitrogenatomer i grænsefladelaget er også velegnede til doping

Deres fund var overraskende. "Nogle af nitrogenatomerne diffunderede fra grafen til siliciumcarbid, "forklarer Bocquet." Det blev tidligere antaget, at nitrogenbombardementet kun påvirkede grafen, men ikke substratmaterialet. "

Selvom begge prøver blev behandlet på samme måde, de udviste forskellige nitrogenkoncentrationer, men næsten identisk elektronisk doping:ikke alle nitrogenatomer var integreret i grafengitteret, ikke desto mindre steg antallet af elektroner i grafen som om dette var tilfældet. Nøglen til dette uventede resultat ligger i den forskellige opførsel af grænsefladelagene mellem grafen og substrat. For epitaksial grafen, intet ændrede sig:grænsefladelaget forblev stabilt, strukturen uændret. I det næsten fritstående grafen, imidlertid, nogle af hydrogenatomerne mellem grafen og substrat blev erstattet med nitrogenatomer. Ifølge Bocquet:"Hvis du undersøger det kvasi-fritstående grafen, nogle steder finder du et nitrogenatom under grafenlaget. Disse nitrogenatomer, selvom de ikke er en del af grafen, kan dope gitteret uden at ødelægge det. Dette uforudsete resultat er meget lovende for fremtidige applikationer inden for mikro- og nanoelektronik. "