(PhysOrg.com) -- De kracht, flexibiliteit, transparantie en hoge elektrische geleidbaarheid van enkellaags grafeen maken het een potentieel uniek en waardevol materiaal voor de volgende generatie elektronische apparaten. Gemaakt van koolstofatomen gerangschikt in een honingraatpatroon - denk aan een kippengaashek - het is voor 97 procent transparant en 1, 000 keer sterker dan staal.

Onderzoekers werken aan manieren om de eigenschappen van grafeen af ​​te stemmen op specifieke elektronische toepassingen. Een manier om dat te doen is door doping – het introduceren van kleine hoeveelheden andere elementen, zoals stikstof of fosfor, die ofwel elektronen optellen of aftrekken van het systeem. Op grote schaal gebruikt in siliciumtechnologie, doping is experimenteel uitgevoerd in enkellaagse grafeenvellen; maar tot nu toe, de details van hoe de doteringsatomen in de plaat passen en zich hechten aan hun koolstofburen bleven ongrijpbaar.

In een studie die op 9 augustus werd gemeld, Wetenschap , onderzoekers van de Columbia University, De Sejong University in Korea en de nationale laboratoria SLAC en Brookhaven gebruikten een combinatie van vier technieken om de eerste gedetailleerde beelden te maken van met stikstof gedoteerde grafeenfilm. Ze toonden aan dat individuele stikstofatomen de plaatsen van koolstofatomen in de tweedimensionale plaat hadden ingenomen; dat ongeveer de helft van het extra elektron dat door elk stikstofatoom werd bijgedragen, over het grafeenrooster was verdeeld; en dat dit de elektronische structuur van de grafeenplaat slechts op korte afstand - ongeveer de breedte van twee koolstofatomen - van de doteringsatomen veranderde. Het vermogen om de elektronische structuur op atomair niveau te regelen, heeft belangrijke implicaties voor het afstemmen van de unieke elektronische eigenschappen van grafeen voor bepaalde apparaattoepassingen.

“We proberen niet aan bestaande systemen te werken en ze beter te maken. We zijn op zoek naar nieuwe richtingen die mogelijk veel hogere efficiënties mogelijk kunnen maken, ” zei mede-auteur Theanne Schiros, een oppervlaktewetenschapper bij het Energy Frontier Research Center van het Department of Energy in Columbia, die grafeen onderzoekt als een mogelijke elektrode voor nieuwe fotovoltaïsche apparaten.

"Nu zien we dat doping een strategie is die schoon en robuust op grafeen kan worden toegepast, ' zei ze, een potentiële manier bieden om grafeenfilms van hoge kwaliteit te maken voor gebruik in elektronische toepassingen, inclusief zonnecellen.

Schiros is geen onbekende voor SLAC, na haar Ph.D. werk hier onder Anders Nilsson. Haar huidige werk bij Columbia richt zich op het gebruik van röntgenstralen van synchrotron-lichtbronnen om nieuwe materialen te onderzoeken voor gebruik in technologieën voor hernieuwbare energie.

Voor deze studie is ze keerde terug naar SLAC om te werken met Dennis Nordlund, een stafwetenschapper bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), waar recente upgrades hen in staat stelden om automatisch veel monsters van de met stikstof gedoteerde grafeenfilms tegelijk te scannen.

Het onderzoeksteam liet de films groeien door chemische damp af te zetten op een dunne laag koperfolie.

Ze analyseerden enkele filmmonsters terwijl het op de koperfolie zat, en anderen overgebracht naar siliciumdioxide, het standaard substraat voor apparaatmetingen, om uit te proberen. Elk monster werd onderzocht met Raman-spectroscopie en scanning tunneling microscopie (STM) in Columbia, en met röntgenstralen bij SLAC's SSRL, en Brookhaven's National Synchrotron Light Source (NSLS).

De Raman-spectra toonden aan dat de stikstofdotering de elektronische eigenschappen van de grafeenplaat had veranderd zonder de basisstructuur te verstoren. Röntgenmetingen bij SSRL-bundellijnen 10-1 en 13-2 en NSLS-bundellijn U7A gaven aan dat de stikstofatomen in het vlak van de grafeenplaat lagen en elk verbonden waren met drie koolstofburen; met andere woorden, elk stikstofatoom had een koolstof in de plaat vervangen.

Eindelijk, de STM-afbeeldingen toonden de stikstofatomen als heldere vlekken op het grafeenoppervlak. Door die plekken te tellen, de onderzoekers stelden vast dat de concentratie stikstofdotering per koolstofatoom varieerde van 0,23 tot 0,35 procent. De afbeeldingen onthulden ook dat de stikstofatomen ongeveer 0,6 Ångstrom uit de grafeenlaag staken, zoals ze zouden doen als ze koolstof in het rooster hadden vervangen. Deze resultaten waren consistent met STM-beeldsimulaties op basis van theorie.

De hoofdauteur van het artikel was de afgestudeerde student natuurkunde van Columbia, Liuyan Zhao, werkzaam in het laboratorium van Abhay N. Pasupathy, en het werk werd uitgevoerd in samenwerking met het Energy Frontier Research Center in Columbia, die SLAC en Stanford tot zijn medewerkers rekent.