Onderzoekers creëren grafeen pn-overgangen door films van het elektronische materiaal over te brengen naar substraten die zijn gevormd door verbindingen die ofwel sterke elektronendonoren of elektronenacceptoren zijn.

De elektronische eigenschappen van grafeenfilms worden rechtstreeks beïnvloed door de eigenschappen van de substraten waarop ze worden gekweekt of waarnaar ze worden overgebracht. Onderzoekers profiteren hiervan om grafeen pn-overgangen te creëren door films van het veelbelovende elektronische materiaal over te brengen naar substraten die zijn gevormd door verbindingen die ofwel sterke elektronendonoren of elektronenacceptoren zijn.

Een lage temperatuur, controleerbare en stabiele methode is ontwikkeld om grafeenfilms te dopen met behulp van zelf-geassembleerde monolagen (SAM) die de interface van grafeen en het ondersteunende substraat wijzigen. Met behulp van dit begrip, een team van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology heeft grafeen pn-overgangen gemaakt - die essentieel zijn voor het maken van apparaten - zonder de roosterstructuur van het materiaal te beschadigen of de mobiliteit van elektronen en gaten aanzienlijk te verminderen.

Het grafeen werd gekweekt op een koperfilm met behulp van chemische dampafzetting (CVD), een proces dat de synthese van grootschalige films en hun overdracht naar gewenste substraten voor apparaattoepassingen mogelijk maakt. De grafeenfilms werden overgebracht naar siliciumdioxidesubstraten die werden gefunctionaliseerd met de zelf-geassembleerde monolagen.

Informatie over het maken van grafeen pn-overgangen met behulp van zelf-geassembleerde monolagen werd op 28 november gepresenteerd, 2012 tijdens de najaarsbijeenkomst van de Materials Research Society. Papers die aspecten van het werk beschrijven, werden in september 2012 ook gepubliceerd in de tijdschriften ACS Toegepaste materialen en interfaces en de Journal of Physical Chemistry C . De financiering voor het onderzoek kwam van de National Science Foundation, via het Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) en via afzonderlijke onderzoeksbeurzen.

"We zijn erin geslaagd aan te tonen dat je redelijk goed gedoteerd p-type en n-type grafeen controleerbaar kunt maken door de onderliggende monolaag te modelleren in plaats van het grafeen rechtstreeks aan te passen, " zei Clifford Henderson, een professor aan de Georgia Tech School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Door grafeen bovenop zelf-geassembleerde monolagen te plaatsen, wordt het effect van elektronendonatie of elektronenonttrekking van onder het grafeen gebruikt om de elektronische eigenschappen van het materiaal te wijzigen."

Het Georgia Tech-onderzoeksteam dat aan het project werkt, bestaat uit docenten, postdoctorale fellows en afgestudeerde studenten van drie verschillende scholen. Naast Henderson, hoogleraren die deel uitmaken van het team zijn onder meer Laren Tolbert van de School of Chemistry and Biochemistry en Samuel Graham van de Woodruff School of Mechanical Engineering. Het projectteam omvat ook Hossein Sojoudi, een postdoctoraal onderzoeker, en José Baltazar, een afstudeeronderzoeksassistent.

Het creëren van n-type en p-type doping in grafeen - dat geen natuurlijke bandgap heeft - heeft geleid tot de ontwikkeling van verschillende benaderingen. Wetenschappers hebben stikstofatomen vervangen door enkele koolstofatomen in het grafeenrooster, verbindingen zijn aangebracht op het oppervlak van het grafeen, en de randen van grafeen nanoribbons zijn aangepast. Echter, de meeste van deze technieken hebben nadelen, inclusief verstoring van het rooster - wat de mobiliteit van elektronen vermindert - en stabiliteitsproblemen op de lange termijn.

"Elke keer dat je grafeen in contact brengt met een substraat van welke aard dan ook, het materiaal heeft een inherente neiging om zijn elektrische eigenschappen te veranderen, " Zei Henderson. "We vroegen ons af of we dat op een gecontroleerde manier konden doen en het in ons voordeel konden gebruiken om het materiaal overwegend n-type of p-type te maken. Dit zou een dopingeffect kunnen creëren zonder defecten te introduceren die de aantrekkelijke elektronenmobiliteit van het materiaal zouden verstoren."

Met behulp van conventionele lithografietechnieken, de onderzoekers creëerden patronen van verschillende silaanmaterialen op een diëlektrisch substraat, meestal siliciumoxide. De materialen zijn gekozen omdat ze ofwel sterke elektronendonoren of elektronenacceptoren zijn. Wanneer een dunne laag grafeen over de patronen wordt geplaatst, de onderliggende materialen creëren geladen secties in het grafeen die overeenkomen met de patronen.

"We waren in staat om het grafeen te doteren in zowel n-type als p-type materialen door een elektronendonatie of onttrekkingseffect van de monolaag, " legde Henderson uit. "Dat leidt niet tot de vervangingsdefecten die bij veel van de andere dopingprocessen worden gezien. De grafeenstructuur zelf is nog steeds ongerept zoals het tot ons komt in het overdrachtsproces."

De monolagen zijn gebonden aan het diëlektrische substraat en zijn thermisch stabiel tot 200 graden Celsius met de grafeenfilm eroverheen, merkte Sojoudi op. Het Georgia Tech-team heeft 3-aminopropyltriethoxysilaan (APTES) en perfluoroctyltriethoxysilaan (PFES) gebruikt voor patroonvorming. In principe, echter, er zijn veel andere in de handel verkrijgbare materialen die ook de patronen kunnen maken.

"Je kunt zoveel n-type en p-type regio's bouwen als je wilt, "Zei Sojoudi. "Je kunt de doping zelfs controleerbaar op en neer zetten. Deze techniek geeft je controle over het dopingniveau en wat de dominante drager is in elke regio."

De onderzoekers gebruikten hun techniek om grafeen pn-overgangen te fabriceren, die werd geverifieerd door de oprichting van veldeffecttransistoren (FET). Karakteristieke IV-curven wezen op de aanwezigheid van twee afzonderlijke Dirac-punten, die een energiescheiding van neutraliteitspunten tussen de p- en n-regio's in het grafeen aangaf, zei Sojoudi.

De groep maakt gebruik van chemische dampdepositie om dunne films van grafeen op koperfolie te maken. Een dikke film van PMMA werd bovenop het grafeen gespincoat, en het onderliggende koper werd vervolgens verwijderd. Het polymeer dient als drager voor het grafeen totdat het op het monolaag-gecoate substraat kan worden geplaatst, waarna het wordt verwijderd.

Naast het ontwikkelen van dopingtechnieken, het team onderzoekt ook nieuwe voorlopermaterialen die CVD-productie van grafeen mogelijk maken bij temperaturen die laag genoeg zijn om fabricage rechtstreeks op andere apparaten mogelijk te maken. Dat zou de noodzaak voor het overbrengen van het grafeen van het ene substraat naar het andere kunnen elimineren.

Een goedkope, lage-temperatuurmiddelen om grafeen te produceren, zouden de films ook in staat kunnen stellen bredere toepassingen te vinden in displays, zonnecellen en organische lichtemitterende diodes, waar grote vellen grafeen nodig zouden zijn.

"Het echte doel is om manieren te vinden om grafeen te maken bij lagere temperaturen en op manieren die ons in staat stellen om het te integreren met andere apparaten, ofwel silicium CMOS of andere materialen die niet bestand zijn tegen de hoge temperaturen die nodig zijn voor de initiële groei, "Zei Henderson. "We zijn op zoek naar manieren om grafeen bij lage temperaturen en in patroonvormen tot een bruikbaar elektronisch of opto-elektronisch materiaal te maken."