In wat een aanzienlijke vooruitgang zou kunnen blijken te zijn in de fabricage van op grafeen gebaseerde nanodevices, een team van Berkeley Lab-onderzoekers heeft een nieuw mechanisme ontdekt voor het samenstellen van tweedimensionale (2D) moleculaire "eilanden" die kunnen worden gebruikt om grafeen op nanometerschaal te modificeren. Deze 2D-eilanden bestaan ​​uit F4TCNQ-moleculen die elektrische lading vasthouden op manieren die mogelijk nuttig zijn voor op grafeen gebaseerde elektronica.

"We rapporteren een scanning tunneling microscopie en contactloze atomic force microscopie studie van F4TCNQ-moleculen aan het oppervlak van grafeen waarin de moleculen samensmelten tot 2D dicht opeengepakte eilanden, " zegt Michael Crommie, een fysicus die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley. "De resulterende eilanden kunnen worden gebruikt om de ladingsdragerdichtheid in grafeensubstraten te regelen, en om te wijzigen hoe elektronen door op grafeen gebaseerde apparaten bewegen. Ze kunnen ook worden gebruikt om precieze patronen op nanoschaal te vormen die structurele perfectie op atomaire schaal vertonen die ongeëvenaard is door conventionele fabricagetechnieken."

Crommie is een van de vier corresponderende auteurs van een artikel dat dit onderzoek beschrijft, gepubliceerd door ACS Nano . Het artikel is getiteld "Molecular Self-Assembly in a Poorly Screened Environment:F4TCNQ on Graphene/BN." De andere corresponderende auteurs zijn Steven Louie en Marvin Cohen, beide met Berkeley Lab en UC Berkeley, en Jiong Lu van de Nationale Universiteit van Singapore. (Zie hieronder voor een volledige lijst van co-auteurs)

Grafeen is een plaat van pure koolstof van slechts één atoom dik waar elektronen 100 keer sneller doorheen gaan dan dat ze door silicium gaan. Grafeen is ook slanker en sterker dan silicium, waardoor het een potentieel superstermateriaal is voor de elektronica-industrie. Echter, grafeen moet elektrisch worden gedoteerd om het aantal ladingsdragers dat het bevat af te stemmen om bruikbaar te zijn in apparaten, en F4TCNQ heeft bewezen een effectieve doteringsstof te zijn voor het transformeren van grafeen in een "p-type" halfgeleider.

"Het is bekend dat F4TCNQ elektronen uit een substraat haalt, waardoor de ladingsdragerdichtheid van het substraat verandert, " zegt Crommie. "In eerdere studies werd gekeken naar F4TCNQ geadsorbeerd op grafeen ondersteund door een metalen substraat, waardoor een sterk afgeschermde omgeving ontstaat. F4TCNQ geadsorbeerd op grafeen ondersteund door de isolator boornitride (BN) zorgt voor een slecht afgeschermde omgeving. We hebben gevonden dat, in tegenstelling tot metalen, F4TCNQ-moleculen op grafeen / BN vormen 2D-eilanden door een uniek zelfassemblagemechanisme dat wordt aangedreven door de Coulomb-interacties op lange afstand tussen de geladen moleculen. Negatief geladen moleculen smelten samen tot een eiland, de lokale werkfunctie boven het eiland vergroten en extra elektronen het eiland in laten stromen. Deze extra elektronen zorgen ervoor dat de totale energie van de grafeenlaag afneemt, wat resulteert in eilandcohesie."

Crommie en zijn co-auteurs zijn van mening dat dit 2D-eilandvormingsmechanisme ook van toepassing zou moeten zijn op andere moleculaire adsorbaatsystemen die ladingsoverdracht vertonen in slecht afgeschermde omgevingen, waardoor de deur wordt geopend voor het afstemmen van de eigenschappen van grafeenlagen voor apparaattoepassingen.