NPL's Quantum Detection Group heeft onlangs een studie gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten dat een nieuw licht werpt op de elektronische eigenschappen van quasi-vrijstaand grafeen (QFSG), een materiaal dat toepassingen kan vinden in hogesnelheidselektronica, detectie en elektronische toepassingen.

De studie, die werd uitgevoerd in samenwerking met de Universiteit van Surrey, VK, en het Institute of Electronic Materials Technology, Polen, toont voor het eerst de nanoschaalveranderingen van de elektronische en structurele eigenschappen van grafeen bij waterstofintercalatie die het materiaal ontkoppelt van het siliciumcarbide ondersteunende substraat.

De onderzoekers toonden aan dat het inbrengen van waterstofmoleculen tussen epitaxiaal grafeen en SiC een dramatische verandering in de elektronische eigenschappen van het materiaal bevordert, wat leidt tot een verandering van het type vervoerder en een aanzienlijke toename van de mobiliteit van vervoerders.

Door gebruik te maken van Kelvin probe force microscopie, de wetenschappers waren in staat om een ​​volledige kaart te genereren van de oppervlaktepotentiaalverdeling van grafeenlagen, zowel voor door SiC ondersteund epitaxiaal grafeen als voor QFSG op SiC. Door een verandering in de oppervlaktepotentiaalverdeling tussen de twee systemen waar te nemen, direct gecorreleerd met informatie van Raman-spectroscopie, de wetenschappers konden veranderingen in de elektronische eigenschappen van de grafeenlagen detecteren.

"Terwijl elektronen de belangrijkste dragers zijn in ongerept epitaxiaal grafeen, in de QFSG zijn de belangrijkste dragers gaten, "Olga Kazakova, hoofdonderzoeker, uitgelegd.

Door op Hall-effect gebaseerde metingen uit te voeren, de groep observeerde ook een drievoudige toename van de geleidbaarheid van QSFG, een fundamenteel kenmerk voor toekomstige toepassingen in de elektronica.

Kazakova zei dat de waargenomen toename van de mobiliteit van vervoerders het wereldrecord voor dit soort materialen bij kamertemperatuur nadert.

Epitaxiaal grafeen op SiC, die wordt verkregen via de chemische dampafzettingsmethode (CVD), heeft drie belangrijke voordelen, omdat het gemakkelijk kan worden opgeschaald tot 4 inch, heeft een zeer goede structurele kwaliteit en vereist geen overdracht op een andere ondergrond, waardoor het technologische proces aanzienlijk wordt vereenvoudigd.

Echter, de grenslaag tussen grafeen en SiC vermindert de geleidbaarheid van het materiaal. beperkende toepassingen van ongerept epitaxiaal grafeen in hogesnelheidselektronica.

Zodra de vorming van QFSG door waterstofintercalatie heeft plaatsgevonden, het materiaal verandert zijn elektronische eigenschappen en vertoont een hoge elektrische mobiliteit.

"In ons werk we hebben voor het eerst laten zien hoe dit proces op nanoschaal plaatsvindt, ' zei Kazakova.