In de afgelopen jaren hebben elektronica- en chemische ingenieurs verschillende chemische dopingtechnieken bedacht om het teken en de concentratie van ladingsdragers in verschillende materiaalmonsters te controleren. Chemische dopingmethoden houden in wezen in dat onzuiverheden in materialen of stoffen worden geïntroduceerd om hun elektrische eigenschappen te veranderen.

Deze veelbelovende methoden zijn met succes toegepast op verschillende materialen, waaronder van der Waals (vdW) materialen. VdW-materialen zijn structuren die worden gekenmerkt door sterk gehechte 2D-lagen, die in de derde dimensie worden gebonden door zwakkere dispersiekrachten.

Onderzoekers van University of California, Berkeley (UC Berkeley), het Kavli Energy Nanosciences Institute, Beijing Institute of Technology, Shenzhen University, Tsinghua University hebben onlangs een nieuwe afstembare en omkeerbare benadering van chemisch dope grafeen geïntroduceerd. Hun aanpak, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Nature Electronics , is gebaseerd op laserondersteunde chlorering.

"Conventionele methoden op basis van substitutiedoping of oppervlaktefunctionalisering resulteren in de degradatie van elektrische mobiliteit als gevolg van structurele wanorde, en de maximale dopingdichtheid wordt bepaald door de oplosbaarheidslimiet van doteermiddelen", schreven Yoonsoo Rho en zijn collega's in hun paper. "We laten zien dat een omkeerbaar laser-geassisteerd chloreringsproces kan worden gebruikt om hoge dopingconcentraties te creëren (boven 3 × 10 ¹³ cm ⁻² ) in grafeenmonolagen met minimale afname in mobiliteit."

Om hun aanpak te implementeren, gebruikten Rho en zijn collega's een ultraviolette (UV) nanoseconde laserstraal, met een golflengte van λ =213 nm (5,8 eV). Ze lijnden deze straal evenwijdig aan het oppervlak van hun monster uit, onder een vloeiende Cl₂ gas.

De gefocusseerde UV-gepulseerde laser kan de Cl₂ . fotochemisch dissociëren moleculen, die Cl-radicalen genereren die door het grafeenmonster diffunderen. Nadat ze hun methode op een grafeenmonster hadden toegepast, verzamelden de onderzoekers metingen om de effecten op de dichtheid en mobiliteit van de ladingsdragers te bepalen.

Vervolgens gebruikte het team een ​​fotothermisch proces om het Cl-dopingmiddel te verwijderen. Dit proces maakte gebruik van een continue golf (CW) groene laser met een golflengte van (λ=532 nm (2,3 eV)), die werd toegepast in de normale richting met een brandpuntsafstand van 2 m (1/e2).

"Onze aanpak maakt gebruik van twee lasers - met verschillende fotonenergieën en geometrische configuraties - die zijn ontworpen voor chlorering en daaropvolgende verwijdering van chloor, waardoor sterk gedoteerde patronen kunnen worden geschreven en gewist zonder het grafeen te beschadigen", schreven Rho en zijn collega's in hun artikel.

Om hun omkeerbare dopingmethode te evalueren, gebruikte het team het om herschrijfbare fotoactieve knooppunten te creëren voor op grafeen gebaseerde fotodetectoren. Ze ontdekten dat hun lasergestuurde chloreringsmethode resulteerde in verzadigbare ultrahoge dopingconcentraties, waardoor de mobiliteit van ladingsdragers minimaal daalde. Bovendien werden bij het verwijderen van de Cl-doteringsstof de gedoteerde patronen volledig gewist, zonder enige structurele schade aan het grafeen te veroorzaken.

In de toekomst zou de laserondersteunde benadering die door dit team van onderzoekers is geïntroduceerd, kunnen worden gebruikt om verschillende dopingelementen in 2D van der Waals-materialen te introduceren. Dit zou op zijn beurt de omkeerbare introductie van waardevolle elektronische functionaliteiten voor opto-elektronische apparaten mogelijk maken. + Verder verkennen

Schone dopingstrategie produceert meer responsieve fototransistoren

© 2022 Science X Network