Ny selvsamling kan tune grafens elektroniske egenskaber

I det, der kunne vise sig at være et betydeligt fremskridt i fremstillingen af ​​nye teknologier, forskere opdagede en ny selvsamlingsmekanisme, der overraskende driver negativt ladede molekyler til at klumpe sig sammen for at danne øer, når grafen understøttes af en elektrisk isolator. Under disse forhold, forskellige ladningsinteraktioner formindskes ikke, som de er, når grafen understøttes af et metallisk substrat. Ved lave koncentrationer, individuelle adsorberede molekyler frastøder hinanden, men med stigende koncentration, molekylerne danner todimensionelle øer. Det blev bestemt ved teori, at strømmen af ​​ekstra elektroner ind i øerne fra grafen holder molekylerne sammen. De elektroniske drivkræfter og stabiliseringsenergier er tilstrækkelige til at overvinde frastødningen mellem de negative ladninger.

Denne selvsamlingsmekanisme kan bruges til at tune de elektroniske egenskaber af grafenlag i enheder og kontrollere, hvordan elektroner strømmer gennem grafenen. Denne mekanisme tillader mønstre i atomskala af elektroniske egenskaber, hvilket ikke kan opnås med konventionelle litografiske teknikker, der i øjeblikket anvendes i halvlederindustrien.

Silicium har haft succes, fordi det er et elektronisk afstembart halvledermateriale, der kan bruges i elektroniske enheder. Grafen har tydelige fordele i forhold til silicium til mange anvendelser på grund af dets højere elektronmobilitet og en meget stabil krystalstruktur, men det kan være svært at indstille præcist. En måde at justere grafens elektroniske egenskaber på er at adsorbere molekyler på dens overflade. For eksempel, negativt ladede molekyler på en grafenoverflade trækker elektroner fra grafenlaget, ændre dens elektroniske egenskaber. Imidlertid, bestræbelser på kontrollerbart at samle sådanne negativt ladede molekyler har været begrænset, fordi negativt ladede arter frastøder hinanden. Nu har forskere ledet af University of California-Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory opdaget, at denne frastødning kan overvindes, og todimensionelle øer kan kontrolleres dannes af negativt ladede molekyler på grafen understøttet af en isolator. Gennem mikroskopi og teoretisk modellering, de fastslog, at den underliggende isolator var nøglen til at ændre arten af ​​interaktionerne mellem de negativt ladede molekyler og grafen. Disse molekyler er kendt for at udvinde elektroner fra deres substrat. Ved lave overfladekoncentrationer, de negativt ladede molekyler accepterer separat elektroner fra den underliggende grafen og frastøder hinanden, som forventet, fordi ens ladninger frastøder hinanden.

Bemærkelsesværdigt og kontraintuitivt, ved højere koncentrationer, disse ladede molekyler klumper sig sammen for at danne ordnede øer. Denne sædvanlige adfærd forklares af teorien som donationen af ​​ekstra elektroner til øerne af molekyler af grafen sammenlignet med donationen til et enkelt molekyle. Denne ekstra afgift gør det energimæssigt mere gunstigt at danne øer. Overraskende nok, denne adfærd observeret på grafensubstrat understøttet af en isolator forekommer ikke, når grafen understøttes af et metal. Denne molekylære selvsamling giver et muligt alternativ til mønstre af grafen ved hjælp af konventionelle litografiske teknikker. Atom-skala tuning af egenskaberne af grafen lag kunne gøre det muligt at fremstille nye enheder baseret på grafen, der ikke kan fremstilles ved hjælp af silicium.