Deense onderzoekers hebben voor het eerst de dragermobiliteit en dichtheid van grote platen grafeen in kaart gebracht met elektromagnetische straling.

Voor het laatste decennium, de gebruikelijke manier om de elektronische eigenschappen van grafeen te meten - in het bijzonder de dragermobiliteit en dragerdichtheid, die samen de plaatgeleiding geven - is geweest om een ​​transistorachtig apparaat te fabriceren en elektronisch te meten hoe de geleidbaarheid verandert als een functie van de aangelegde elektrostatische poortspanning. Deze volledig elektronische benadering is het beste als het gaat om kleine stukjes grafeen, zoals de microscopisch kleine vlokken die worden geproduceerd door micromechanische splitsing (ook bekend als de 'scotch-tape-methode') - echter, vooruitgang in grafeenproductietechnieken stellen ons nu in staat om continu grote oppervlakten grafeenmeters te produceren. Het produceren en meten van duizenden of miljoenen microscopisch kleine apparaten uit dergelijke platen zou onpraktisch zijn en zou het bruikbare oppervlak van grafeen voor de beoogde toepassing verminderen. We moeten de elektronische eigenschappen van zulke grote regio's kunnen controleren zonder ze daarbij te vernietigen.

Onderzoekers van de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) hebben aangetoond dat zowel de dragermobiliteit als de dragerdichtheid van grafeen op een ruimtelijk opgeloste en niet-destructieve manier kunnen worden gemeten - door 'kaarten' te bieden van de elektronische eigenschappen die cruciaal zijn voor het succesvolle gebruik van grafeen in fotovoltaïsche energie, elektronica, spintronica en optica – gebruikmakend van terahertz (THz) straling en het maken van apparaten overbodig. Met behulp van een procedure die bekend staat als THz-tijddomeinspectroscopie, Jonas Buron en collega's van DTU-onderzoeksteams onder leiding van Peter Uhd Jepsen en Peter Bøggild maten de dragermobiliteit en dragerdichtheid op tienduizenden punten in een enkele laag grafeen ter grootte van een centimeter.

Een belangrijke stap in deze eerste contactloze metingen van de elektronische eigenschappen van grafeen was het besef dat de grafeengeleiding tijdens de metingen kon worden afgesteld met behulp van een back-gate, die transparant is voor THz-straling. "Hoewel we het grafeen nog moeten overbrengen naar een speciaal substraat met de THz-onzichtbare poort, het is veel gemakkelijker en minder destructief dan conventionele technieken... veel sneller", zegt Jonas Buron. Voor veel elektronische toepassingen van grafeen, de fabricage van een achterpoort is sowieso een noodzakelijke stap. "Met enige optimalisatie zouden we de mobiliteit en dichtheid van de drager van een met grafeen gecoate 4-inch wafer in enkele minuten in kaart kunnen brengen."

De kaarten van de elektronische eigenschappen van grafeen bieden al inzicht en verrassingen over de oorsprong van hun ruimtelijke variatie - in één voorbeeld, de onderzoekers zagen twee keer zoveel variatie in mobiliteit als in dragerdichtheid. Variaties in geleiding worden meestal toegeschreven aan veranderingen in de dragerdichtheid als gevolg van dopingvariaties, maar de onderzoekers bewezen dat dit hier niet het geval was. "We hebben vaak zulke langzame variaties van de geleidbaarheid over vele centimeters opgemerkt in THz-metingen." Peter Bøggild uitgelegd. "Maar aangezien grafeen zo gemakkelijk wordt gedoteerd vanwege de extreme oppervlakte-tot-volumeverhouding, we hadden altijd verwacht dat deze verband hielden met lokale variaties in het dopingniveau. In dit geval, we hebben precies de tegenovergestelde situatie, en dit is een raadsel. Zonder deze techniek voor het in kaart brengen van mobiliteit hadden we het nooit geweten."

De THz-TDS-techniek heeft een sterk potentieel, voegt Peter Uhd Jepsen toe. "Het is al verrassend hoe diep informatie we kunnen halen uit het verzenden van straling door een slechts 0,3 nm dunne laag koolstofatomen, die wordt ondersteund door een 1,5 miljoen keer dikker stuk silicium. We leren nog steeds hoe we de elektrische eigenschappen van grafeen kunnen karakteriseren zonder elektrische contacten, en er lijken uitstekende opties te zijn om de techniek te verbeteren en te versnellen."