(PhysOrg.com) -- Grafeen is een tweedimensionale honingraat van koolstof, slechts één atoom dik, waarvan de intrigerende elektronische eigenschappen een zeer hoge elektronenmobiliteit en een zeer lage soortelijke weerstand omvatten. Grafeen is zo gevoelig voor zijn omgeving, echter, dat deze opmerkelijke attributen kunnen worden vernietigd door interferentie van nabijgelegen materialen. Het vinden van het beste substraat om grafeen op te monteren is van cruciaal belang als grafeenapparaten ooit praktisch willen worden.

Groepen onder leiding van Michael Crommie en Alex Zettl, wetenschappers in de Materials Sciences Division van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy en professoren in de natuurkunde aan de University of California in Berkeley, hebben hun krachten gebundeld om de beste substraatkandidaten te onderzoeken voor het behoud van de intrinsieke eigenschappen van grafeen. Resultaten van hun onderzoek naar de interactie van grafeen met een boornitridesubstraat verschenen onlangs in: Nano-letters .

“Elk substraat beïnvloedt de eigenschappen van grafeen, dus als je de intrinsieke eigenschappen ervan wilt bestuderen, kun je het beste werken met gesuspendeerd grafeen, ” zegt Régis Decker, een voormalig postdoctoraal fellow in de Crommie-groep, nu aan de Universiteit van Hamburg, Duitsland, en hoofdauteur van het Nano Letters-rapport. “Echter, gesuspendeerd grafeen is vrij onstabiel wanneer het wordt onderzocht met scanningsondetechnieken zoals scanning tunneling microscopie” – STM – “omdat het grafeenmembraan onder de punt kan trillen. Het idee is dus om een ​​substraat te vinden dat het geval van gesuspendeerd grafeen nabootst.”

Een groep aan de Columbia University meldde, in oktober 2010, dat grafeen ondersteund op een boornitride (BN) substraat een dramatisch betere elektronenmobiliteit had dan grafeen gemonteerd op het meest voorkomende halfgeleidersubstraat, siliciumdioxide (SiO ₂ ).

“De Columbia-groep toonde aan dat de mobiliteit van elektronen in grafeen op boornitride veel beter is dan grafeen op siliciumdioxide, maar er waren veel vragen die hun macroscopische metingen niet beantwoordden, ", zegt Yang Wang van de Crommie-groep, co-hoofdauteur van het Nano Letters-rapport. De Crommie- en Zettl-groepen vergeleken de twee systemen naast elkaar om erachter te komen waarom boornitride zo goed werkt. "Om BN op atomaire schaal te onderzoeken, hebben we STM gebruikt om een ​​beeld op te bouwen van de topografie van het systeem en de lokale elektronische toestanden te meten."

Zoeken naar wat boornitride speciaal maakt

zegt Decker, "Voor een grafeen-substraatsysteem om gesuspendeerd grafeen te kunnen nabootsen, het substraat heeft een grote elektronische band gap nodig en geen bungelende bindingen, om elke verandering in de elektronische structuur van grafeen te voorkomen. De ondergrond zou ook zeer vlak moeten zijn, zoals gesuspendeerd grafeen zou zijn. Boornitride is een goede kandidaat omdat het aan deze eisen voldoet.”

Wat onderzoekers voor het eerst aantrok tot het potentieel van boornitride als grafeensubstraat, waren de ongebruikelijke structurele eigenschappen. In zijn hexagonale structuur (h-BN), afwisselende stikstof- en booratomen lijken sterk op de manier waarop koolstofatomen in grafeen zijn gerangschikt. Boor- en stikstofatomen in BN-verbindingen zijn gelijk gekoppeld, en samen hun valentie-elektronen (drie en vijf, respectievelijk) gelijk zijn aan die van een paar koolstofatomen (elk vier). Hoewel het h-BN-rooster zo'n 1,7 procent groter is dan dat van grafeen en er niet evenredig mee is, de twee honingraten die op elkaar zijn gelegd, kunnen veel nauwer worden uitgelijnd dan grafeen op siliciumdioxide. In tegenstelling tot grafeen, die normaal gesproken geen band gap heeft, h-BN heeft een brede bandgap, vanwege de afwisselende boor- en stikstofatomen in het rooster.

Om grafeen/BN-apparaten te maken, de Zettl-groep reduceerde eerst boornitridekristallen tot minuscule vlokken door de beproefde methode om ze te "scrubben" tussen stroken plakband. De BN-vlokken werden afgezet op een laag SiO ₂ , die werd gekweekt op een laag gedoteerd silicium dat, beurtelings, werd gebruikt als een poortelektrode om de ladingsconcentratie af te stemmen - een manier om de grafeenlaag erboven te "doteren" - tijdens scanning tunneling microscopie.

Qiong Wu van de Crommie-groep creëerde grafeen door middel van chemische dampafzetting op koper; op koper, koolstofatomen assembleren zichzelf tot een honingraatrooster van een enkel atoom dik. De grafeenvellen werden overgebracht van het koper naar zacht plastic en vervolgens op de boornitridevlokken geplaatst door het plastic op het BN te drukken. Het hele samenstel werd op hoog vuur gegloeid.

De grafeenlaag werd geaard door er een titaniumgoudelektrode op aan te brengen. Op deze manier zijn drie grafeen/BN-systemen gemaakt, klaar voor directe STM-vergelijkingen met grafeen op siliciumdioxide. De STM-tip kan over de grafeenlaag scannen, het meten van topografie en lokale ladingsconcentraties op verschillende doteringsniveaus bepaald door de siliciumlaag-poortelektrode.

Boornitride versus siliciumdioxide

"Er werd gedacht dat een paar dingen de elektronenmobiliteit in grafeen op siliciumdioxide verstoren, ', zegt Victor Brar van de Crommie-groep. "Een daarvan is onzuiverheden die het grafeen verdoven en lokaal de concentratie van ladingen veranderen."

Een zekere manier om het gemiddelde vrije pad van elektronen (of hun positief geladen tegenhangers, afwezigheid van elektronen, gaten genoemd) is om het pad te bezaaien met obstakels die bekend staan ​​​​als ladingsplasjes, dat zijn fluctuaties in lokale ladingsconcentraties. In grafeen op SiO _2, oplaadplassen komen vaak voor.

“We hadden eerder de eigenschappen van grafeen/siliciumdioxide-systemen in detail bestudeerd, " zegt Michael Crommie, "en toonde aan dat ladingsplassen niet worden veroorzaakt door rimpelingen of ribbels in de grafeenplaat, zoals was gesuggereerd, maar eerder door onzuiverheden onder de grafeenlaag.”

Een bron van die onzuiverheden zou vreemd materiaal kunnen zijn dat tussen het grafeen en het substraat wordt opgesloten wanneer de grafeenlaag wordt aangebracht. Kleine luchtbelletjes of watermoleculen of andere vreemde stoffen kunnen als doteringsmiddelen werken.

"Toen we het grafeen maakten op boornitride-apparaten, zochten we naar atmosferische onzuiverheden, maar we zagen geen enkel bewijs van hun effecten, ’ zegt Brar. “Voor het maken van praktische grafeenapparaten, dat is goed nieuws, omdat het betekent dat ze niet in een vacuüm hoeven te worden geassembleerd.”

Een andere bron van grafeendoping en daaropvolgende ladingsconcentraties zijn bungelende bindingen in het substraat. Een valentie-elektron dat beschikbaar is voor binding met een ander atoom is een recept voor chemische reactiviteit, en siliciumdioxide heeft een hoge concentratie aan bungelende bindingen. boornitride, echter, heeft geen overgebleven elektronen om bungelende bindingen te vormen.

STM-vergelijkingen van de twee systemen toonden levendig de verschillen tussen hen. topografisch, grafeen op boornitride is veel minder ruw dan grafeen op silicium, met hoogteverschillen op de gescande oppervlakken van slechts ongeveer 40 picometer (biljoensten van een meter). Hoogteverschillen met het siliciumdioxidesubstraat waren tot 30 keer groter.

elektronisch, variaties in ladingsdichtheid werden drastisch verminderd in het BN-substraat. Vergeleken met de bijna onveranderlijke waarden van het boornitridesysteem, grafieken van de siliciumdioxidesystemen lijken op moderne kunstkleurenveldschilderijen.

Eindelijk, Decker zegt, "omdat de roosterconstante heel dicht bij die van grafeen ligt, theoretici voorspelden dat dit een bandgap in grafeen veroorzaakt, wat interessant zou zijn voor toepassingen” – zo niet voor het behoud van de intrinsieke eigenschappen van grafeen. De Crommie-groep onderzocht hoe elektronische eigenschappen kunnen variëren afhankelijk van de oriëntatie van de grafeenplaat op het boornitridesubstraat. De twee, niet-helemaal evenredige roosters verraden hun uitlijning door veranderende moiré-patronen met verschillende oriëntaties te vertonen.

zegt Wang, “We zagen veel verschillende uitlijningen, inclusief uitlijningen die bijna perfect waren. Maar het grafeen vertoonde nog steeds geen band gap.” hoe grafeen is georiënteerd op een boornitridesubstraat maakt geen waarneembaar verschil in zijn uitstekende elektronische eigenschappen.

Michael Crommie zegt, “Het grafeen/BN-systeem is echt veel mooier dan welk ander substraat dan ook voor een scala aan toepassingen. Er zijn veel minder onzuiverheden, veel minder ladingsinhomogeniteit, veel minder hobbels, en veel meer stabiliteit – al met al, een veel schonere omgeving voor het bestuderen van de intrinsieke eigenschappen van grafeen. Boornitride is echt een fantastisch systeem voor praktische grafeenapparaten.”