(Phys.org)—Onderzoekers die röntgenstralen gebruiken om een ​​enkel atoom dikke laag koolstof te bestuderen, genaamd grafeen, hebben nieuwe informatie geleerd over zijn atomaire binding en elektronische eigenschappen wanneer het materiaal is "gedoteerd" met stikstofatomen. Ze laten zien dat synchrotron-röntgentechnieken uitstekende hulpmiddelen kunnen zijn om het gedrag van gedoteerd grafeen te bestuderen en beter te begrijpen, dat wordt gebruikt als veelbelovend contactmateriaal in elektronische apparaten vanwege de vele wenselijke eigenschappen, inclusief een hoge geleidbaarheid en, vooral, afstembare elektronische eigenschappen.

Grafeen dopen met kleine hoeveelheden van een ander element, zoals stikstof of boor, verandert het in ofwel een "n-type" materiaal (met overtollige negatieve ladingsdragers, d.w.z. elektronen) of een "p-type" materiaal (met overtollige positieve ladingsdragers, d.w.z. elektronenvacatures die "gaten" worden genoemd. Op deze manier, doping stelt wetenschappers in staat om de eigenschappen ervan te "afstemmen", inclusief de soorten bindingen tussen de atomen en hoe ladingsdragers worden verdeeld. Dit soort controle is essentieel bij het ontwikkelen van een materiaal met specifieke toepassingen in gedachten. Een soortgelijk voorbeeld is de dotering van silicium dat wordt gebruikt in op silicium gebaseerde fotovoltaïsche energie; inderdaad, gedoteerd grafeen wordt onderzocht op zijn potentiële gebruik als contactmateriaal in zonnecellen (een van de vele geschikte eigenschappen voor een dergelijke rol is de transparantie voor zichtbaar licht, een noodzakelijke functie voor een elektrisch contact van een zonnecel).

In dit werk, ontdekten de onderzoekers dat er verschillende bindingstypes aanwezig kunnen zijn tussen koolstof- en stikstofatomen, zelfs binnen dezelfde grafeenplaat. Dit resulteert in zeer verschillende effecten op de ladingsdragerconcentratie over het vel, wat niet ideaal is.

"Onze bevindingen geven aan dat het beheersen van de bindingstypen in chemisch gedoteerd grafeen een cruciaal onderdeel zal zijn van het afstemmen van de eigenschappen op een bepaalde toepassing en het bevorderen van op grafeen gebaseerde elektronica in het algemeen, " zei Theanne Schiros, de corresponderende wetenschapper van de studie, die onderzoeker is bij het Energy Frontier Research Center van Columbia University. Ze is ook de hoofdauteur van het bijbehorende gepubliceerde artikel in Nano-letters .

De co-auteurs van het artikel zijn onder meer collega's van de Columbia University en de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), CNR-Nanoscience Institute (Italië), Sejong-universiteit (Korea), het Nationaal Instituut voor Standaarden en Technologie, Universiteit van Stockholm (Zweden), en Brookhaven National Laboratory.

De röntgengegevens van de groep laten zien dat hoewel het mogelijk is om grafeen van het n-type te maken - waarin een enkel stikstofatoom een ​​enkel koolstofatoom vervangt, een grafietbinding genoemd - er kunnen maximaal drie bindingstypen worden waargenomen in een enkel vel, afhankelijk van de verwerkings- en groeiomstandigheden. Deze komen overeen met de drie manieren waarop een stikstofatoom en een koolstofatoom elektronen kunnen delen.

De effecten van elk type op de elektronische structuur van grafeen zijn behoorlijk verschillend. Bijvoorbeeld, stikstofatomen die een "grafiet" binding vormen met koolstofatomen, wat betekent dat de stikstof en de koolstof twee elektronen delen, hebben de neiging om het aantal ladingsdragers in het materiaal te vergroten. "Pyridinische" en "nitrile" bindingen, anderzijds, hebben de neiging om ladingsdragers uit het koolstofrooster te trekken.

Bij NSLS-bundellijnen U7A en SSRL-bundellijnen 10-1 en 13-2, Schiros en haar groep gebruikten drie röntgentechnieken om hun grafeenmonsters te bestuderen:röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS), röntgenabsorptiespectroscopie (XAS), en röntgenemissiespectroscopie (XES). Elk werkt door gebruik te maken van één manier waarop röntgenstralen kunnen interageren met een monster, daarom biedt elk unieke informatie over dat monster.

XPS meet het aantal en de energieën van de elektronen die ontsnappen aan het oppervlak van een monster wanneer het wordt belicht met röntgenstralen, en geeft daarom informatie over de elementaire concentratie en bindingsenergieën, die de lokale chemische bindingsomgeving weerspiegelen. XAS geeft directe informatie over het type binding tussen de stikstof- en koolstofatomen, de oriëntatie van die binding, en de onbezette moleculaire orbitalen gevormd tussen doteringsmiddel en gastheeratomen. XES biedt aanvullende, atoomspecifieke informatie over de bezette elektronenenergieniveaus nabij het "Fermi-niveau, " die een sleutelrol speelt in het elektronische gedrag van grafeen.

In combinatie met theoretische berekeningen, de drie technieken geven een duidelijk beeld van de rol van de doteerstoffen in het elektronische gedrag van grafeen.

Dit onderzoek is gepubliceerd in de 29 juni, 2012, online editie van Nano-letters .