(Phys.org) —Grafeen blijft regeren als het volgende potentiële superstermateriaal voor de elektronica-industrie, een slanker, sterkere en veel snellere elektronengeleider dan silicium. Zonder natuurlijke energiebandgap, echter, de supersnelle geleiding van grafeen kan niet worden uitgeschakeld, een serieus nadeel voor transistors en andere elektronische apparaten. Er zijn verschillende technieken ingezet om dit probleem te verhelpen, met als een van de meest veelbelovende de integratie van ultradunne lagen grafeen en boornitride in tweedimensionale heterostructuren. Als dirigenten, deze tweelaagse hybriden zijn bijna net zo snel als puur grafeen, plus ze zijn zeer geschikt voor het maken van apparaten. Echter, het afstemmen van de elektronische eigenschappen van grafeenboornitride (GBN) heterostructuren was een lastige aangelegenheid, met chemische doping of elektrostatische poorten - tot nu toe.

Onderzoekers van Berkeley Lab en de University of California (UC) Berkeley hebben een techniek gedemonstreerd waarmee de elektronische eigenschappen van GBN-heterostructuren kunnen worden gewijzigd met zichtbaar licht. Feng Wang, een fysicus van de gecondenseerde materie bij de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley, evenals een onderzoeker voor het Kavli Energy NanoSciences Institute in Berkeley, leidde een onderzoek waarin foto-geïnduceerde dotering van GBN-heterostructuren werd gebruikt om p-n-overgangen en andere bruikbare dopingprofielen te creëren met behoud van de opmerkelijk hoge elektronenmobiliteit van het materiaal.

"We hebben aangetoond dat zichtbaar licht een robuust schrijven en wissen van ladingsdoping in GBN-heterostructuren kan veroorzaken zonder de hoge mobiliteit van de drager op te offeren, Wang zegt. "Het gebruik van zichtbaar licht geeft ons ongelooflijke flexibiliteit en, in tegenstelling tot elektrostatische poorten en chemische doping, vereist geen fabricageprocessen in meerdere stappen die de kwaliteit van het monster verminderen. Aanvullend, verschillende patronen kunnen naar believen worden bijgebracht en gewist, wat niet mogelijk was met dopingtechnieken die eerder werden gebruikt op GBN-heterostructuren."

Grafeen is een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster. Boornitride is een gelaagde verbinding met een vergelijkbaar hexagonaal rooster - in feite wordt hexagonaal boornitride soms "wit grafeen" genoemd. Samengebonden door de relatief zwakke intermoleculaire aantrekkingskracht die bekend staat als de van der Waals-kracht, GBN-heterostructuren hebben een groot potentieel getoond om als platform te dienen, niet alleen voor transistors met hoge elektronenmobiliteit, maar ook voor opto-elektronische toepassingen, inclusief fotodetectoren en fotovoltaïsche cellen. De sleutel tot toekomstig succes zal het vermogen zijn om deze materialen op een commercieel schaalbare manier te dopen. De dopingtechniek met foto-geïnduceerde modulatie die door Wang en een groot team van medewerkers is ontwikkeld, voldoet aan deze eis omdat deze vergelijkbaar is met de fotolithografische schema's die tegenwoordig algemeen worden gebruikt voor massaproductie in de halfgeleiderindustrie. Belichting van een GBN-heterostructuur, zelfs met slechts een gloeilamp, kan het elektronentransport in de grafeenlaag wijzigen door een positieve ladingsverdeling in de boornitridelaag te induceren die vast wordt wanneer de verlichting wordt uitgeschakeld.

"We hebben laten zien dat deze foto-geïnduceerde doping voortkomt uit microscopisch gekoppelde optische en elektrische reacties in de GBN-heterostructuren, inclusief optische excitatie van defectovergangen in boornitride, elektrisch transport in grafeen, en ladingsoverdracht tussen boornitride en grafeen, ", zegt Wang. "Dit is analoog aan de modulatiedoping die voor het eerst werd ontwikkeld voor hoogwaardige halfgeleiders."

Hoewel de foto-geïnduceerde modulatie-doping van GBN-heterostructuren slechts een paar dagen duurde als het monster in het donker werd gehouden - verdere blootstelling aan licht wist het effect - is dit geen probleem, zoals Wang uitlegt.

"Een paar dagen modulatie-doping zijn voldoende voor vele wegen van wetenschappelijk onderzoek, en voor sommige apparaattoepassingen, de herschrijfbaarheid die we kunnen bieden is meer nodig dan stabiliteit op lange termijn, "zegt hij. "Voorlopig, wat we hebben is een eenvoudige techniek voor inhomogene doping in een zeer mobiel grafeenmateriaal dat de deur opent naar nieuwe wetenschappelijke studies en toepassingen."