NRL udvikler ny lav-defekt metode til at nitrogen dope grafen, hvilket resulterer i afstembar båndstruktur

Et tværfagligt team af forskere ved U.S. Naval Research Laboratory (NRL), Elektronik videnskab og teknologi og materialer Videnskab og teknologi divisioner, har demonstreret hypertermal ionimplantation (HyTII) som et effektivt middel til substitutionsmæssigt doping af grafen-et hexagonalt arrangeret carbonatom med enkelt atomtykkelse-med nitrogenatomer. Resultatet er en lav-defekt film med en justerbar båndstruktur, der kan bruges til en række forskellige enhedsplatforme og applikationer.

Forskningen viser, at HyTII-metoden giver en høj grad af kontrol, herunder dopingkoncentration og, for første gang, demonstrerer dybdekontrol af implantation ved at dope et enkelt monolag af grafen i en tolags grafenstabel. Dette demonstrerer yderligere, at de resulterende film har elektroniske transportegenskaber af høj kvalitet, der udelukkende kan beskrives ved ændringer i båndstrukturen snarere end den defektdominerede adfærd af grafenfilm, der er dopet eller funktionaliseret ved hjælp af andre metoder.

"Siden opdagelsen af, at et enkelt atomlag af sp2 bundet carbonatomer, kaldet grafen, kunne isoleres fra bulkgrafit, en overflod af bemærkelsesværdige elektroniske og spintroniske egenskaber er dukket op, " sagde Dr. Cory Cress, materialeforskningsingeniør, NRL. "Imidlertid, Der er få ansøgninger, fordi grafen mangler et båndgab, og dets doping er svært at kontrollere, gør grafen-enheder kun konkurrencedygtige for højt specialiserede enhedsteknologier. "

Doping eller kemisk funktionalisering kan tilføje et brugbart transportgab. Imidlertid, disse metoder har tendens til at producere film, der er plaget af utilsigtede defekter, har lav stabilitet, eller uensartet dækning af dopingstoffer og funktionelle grupper, som alle i høj grad begrænser deres anvendelighed og forringer grafenfilmens iboende ønskelige egenskaber.

Som et alternativ, NRL-forskere udnyttede deres baggrund for strålingseffekter til at udvikle et hypertermisk ionimplantationssystem med den nødvendige præcision og kontrol til at implantere nitrogen (N+) i grafen, der opnår doping via direkte substitution.

"Efter mange måneders udvikling af systemet, teknikkens gennemførlighed afhang virkelig af det første eksperiment, "Cress sagde." I vores undersøgelse, vi bestemte intervallet af hypertermiske ionenergier, der gav den højeste fraktion af nitrogen-doping, samtidig med at defekter minimeres, og vi fik succes med at bekræfte den iboende dybdekontrol af HyTII-processen."

For at opnå det sidste, forskerne implementerede et tolags grafenmaterialesystem bestående af et lag naturligt grafen, med for det meste carbon-12 (12C) atomer, lagdelt på grafen syntetiseret med mere end 99 procent kulstof-13 (13C). Dette dobbeltlagsmateriale gav et middel til at identificere, hvilket lag de modificerede, når de blev analyseret med Raman -spektroskopi.

Enheder fremstillet af film behandlet med N+ i området med optimal doping viser en overgang fra stærk til svag lokalisering, der afhænger af implantationsdosis, hvilket indikerer det implanterede nitrogens evne til at ændre filmens iboende egenskaber. Som yderligere bevist af den høje elektroniske kvalitet af de implanterede enheder i forhold til lignende adatom-dopede enheder, forskerne fandt ud af, at temperaturafhængigheden kan tilpasses af en model, der tager højde for både båndeffekter på grund af substitutionsdoping og isolatorlignende effekter på grund af defektdannelse, med båndeffekterne observeret at være den dominerende komponent.

Overraskende nok, forskerne fandt ud af, at en højere mængde nitrogen-doping forhindrer overgangen til isolerende adfærd nær ladningsneutralitetspunktet. Defekter synes kun at dominere adfærden ved store implantationsenergier, hvor defekter er mere sandsynlige, yderligere demonstration af forskellene mellem sanddopede film og tidligere defekte/dopede film.

"Vores målinger af disse enheder tyder stærkt på, at vi endelig har fremstillet en grafenfilm med et afstembart båndgab, lav defekttæthed, og høj stabilitet, "forklarer Dr. Adam L. Friedman, forskningsfysiker, NRL. "Vi antager derfor, at HyTII-grafenfilm har et stort potentiale for elektroniske eller spintroniske applikationer til grafen af ​​høj kvalitet, hvor en transport eller båndgab og høj bærerkoncentration ønskes."