Forskere rykker tættere på at kontrollere todimensionel grafen

Den enhed, du i øjeblikket læser denne artikel om, er født fra siliciumrevolutionen. For at bygge moderne elektriske kredsløb styrer forskere siliciums strømledende evner via doping, som er en proces, der introducerer enten negativt ladede elektroner eller positivt ladede "huller", hvor elektroner plejede at være. Dette gør det muligt at kontrollere strømmen af ​​elektricitet, og for silicium involverer det at injicere andre atomare elementer, der kan justere elektroner - kendt som dopanter - i dets tredimensionelle (3D) atomgitter.

Silicons 3D-gitter er dog for stort til næste generations elektronik, som omfatter ultratynde transistorer, nye enheder til optisk kommunikation og fleksible biosensorer, der kan bæres eller implanteres i den menneskelige krop. For at slanke tingene, eksperimenterer forskere med materialer, der ikke er tykkere end et enkelt ark atomer, såsom grafen. Men den gennemprøvede metode til doping af 3D-silicium virker ikke med 2D-grafen, som består af et enkelt lag kulstofatomer, der normalt ikke leder en strøm.

I stedet for at injicere dopingmidler har forskere forsøgt at lægge lag på et "ladningsoverførselslag", beregnet til at tilføje eller trække elektroner væk fra grafen. Imidlertid anvendte tidligere metoder "beskidte" materialer i deres ladningsoverførselslag; urenheder i disse ville efterlade grafenen ujævnt dopet og hæmme dens evne til at lede elektricitet.

Nu en ny undersøgelse i Nature Electronics foreslår en bedre måde. Et tværfagligt team af forskere, ledet af James Hone og James Teherani ved Columbia University, og Won Jong Yoo ved Sungkyungkwan University i Korea, beskriver en ren teknik til at dope grafen via et ladningsoverførselslag lavet af lavurent wolframoxyselenid (TOS) .

Holdet genererede det nye "rene" lag ved at oxidere et enkelt atomlag af et andet 2D-materiale, wolframselenid. Da TOS blev lagt oven på grafen, fandt de ud af, at det efterlod grafenen fyldt med elektricitetsledende huller. Disse huller kunne finjusteres for bedre at kontrollere materialernes elektricitetsledende egenskaber ved at tilføje et par atomlag af wolframselenid mellem TOS og grafen.

Forskerne fandt ud af, at grafens elektriske mobilitet, eller hvor let ladninger bevæger sig igennem det, var højere med deres nye dopingmetode end tidligere forsøg. Tilføjelse af wolframselenid-afstandsstykker øgede mobiliteten yderligere til det punkt, hvor effekten af ​​TOS bliver ubetydelig, hvilket efterlader mobiliteten, der bestemmes af grafenens iboende egenskaber. Denne kombination af høj doping og høj mobilitet giver grafen større elektrisk ledningsevne end højledende metaller som kobber og guld.

Efterhånden som den dopede grafen blev bedre til at lede elektricitet, blev den også mere gennemsigtig, sagde forskerne. Dette skyldes Pauli-blokering, et fænomen, hvor ladninger manipuleret af doping blokerer materialet for at absorbere lys. Ved de infrarøde bølgelængder, der bruges i telekommunikation, blev grafenen mere end 99 procent gennemsigtig. At opnå en høj grad af gennemsigtighed og ledningsevne er afgørende for at flytte information gennem lysbaserede fotoniske enheder. Hvis for meget lys absorberes, går information tabt. Holdet fandt et meget mindre tab for TOS-doteret grafen end for andre ledere, hvilket tyder på, at denne metode kunne rumme potentiale for næste generations ultraeffektive fotoniske enheder.

"Dette er en ny måde at skræddersy egenskaberne af grafen efter behov," sagde Hone. "Vi er lige begyndt at udforske mulighederne for denne nye teknik."

En lovende retning er at ændre grafenens elektroniske og optiske egenskaber ved at ændre mønsteret af TOS og at indprente elektriske kredsløb direkte på selve grafenen. Holdet arbejder også på at integrere det dopede materiale i nye fotoniske enheder med potentielle anvendelser i gennemsigtig elektronik, telekommunikationssystemer og kvantecomputere. + Udforsk yderligere

Udstrækning ændrer grafens elektroniske egenskaber