Natuurkundigen van Juelich hebben onverwachte effecten ontdekt in gedoteerd grafeen, d.w.z. grafeen dat vermengd is met vreemde atomen. Ze onderzochten monsters van de koolstofverbinding verrijkt met het vreemde atoom stikstof op verschillende substraatmaterialen. Ongewenste interacties met deze substraten kunnen de elektrische eigenschappen van grafeen beïnvloeden. De onderzoekers van het Peter Gruenberg Instituut hebben nu aangetoond dat effectieve doping afhangt van de keuze van het substraatmateriaal. De resultaten van de wetenschappers werden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Harder dan diamant en taaier dan staal, lichtgewicht, transparant, flexibel, en extreem geleidend:het gaasmateriaal grafeen wordt beschouwd als het materiaal van de toekomst. Het zou computers sneller kunnen maken, mobiele telefoons flexibeler, en touchscreens dunner. Maar tot nu toe, de industriële productie van het koolstofrooster, die slechts één atoom dik is, problematisch gebleken:in bijna alle gevallen een ondergrond is vereist. Het zoeken naar een geschikt materiaal voor dit doel is een van de grote uitdagingen op weg naar praktische toepassingen, want als er ongewenste interacties optreden, ze kunnen ervoor zorgen dat het grafeen zijn elektrische eigenschappen verliest.

Voor een paar jaar, wetenschappers hebben siliciumcarbide - een kristallijne verbinding van silicium en koolstof - getest op zijn geschiktheid als substraatmateriaal. Wanneer het materiaal wordt verwarmd tot meer dan 1400 graden Celsius in een argonatmosfeer, grafeen kan op het kristal worden gekweekt. Echter, dit 'epitaxiale monolaag grafeen' vertoont - zeer lichte - interactie met het substraat, wat de elektronenmobiliteit beperkt.

Om dit probleem te omzeilen, waterstof wordt geïntroduceerd in het grensvlak tussen de twee materialen. Deze methode staat bekend als waterstofintercalatie. De bindingen tussen het grafeen en het substraatmateriaal worden gescheiden en verzadigd door de waterstofatomen. Dit onderdrukt de elektronische invloed van het siliciumkristal terwijl het grafeen mechanisch verbonden blijft met het substraat:quasi-vrijstaand monolaag grafeen.

Uiterst nauwkeurige metingen met staande röntgenstralen

Voor praktische toepassingen, de elektrische eigenschappen van grafeen moeten aanpasbaar zijn, bijvoorbeeld door extra elektronen in het materiaal te brengen. Dit gebeurt door gerichte "verontreiniging" van het koolstofrooster met vreemde atomen. Voor dit proces is bekend als doping, het grafeen wordt gebombardeerd met stikstofionen en vervolgens uitgegloeid. Dit resulteert in defecten in de roosterstructuur:enkele koolstofatomen - minder dan 1% - scheiden zich van het rooster en worden vervangen door stikstofatomen, die extra elektronen meebrengen.

Wetenschappers van Juelich's Peter Gruenberg Institute - Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3) hebben nu, Voor de eerste keer, onderzocht of en hoe de structuur van het substraatmateriaal dit doteringsproces beïnvloedt. Bij de synchrotron stralingsbron Diamond Light Source in Didcot, Oxfordshire, VK, Francois C. Bocquet en zijn collega's hebben monsters van epitaxiaal en quasi-vrijstaand monolaag grafeen gedoteerd en de structurele en elektronische eigenschappen ervan onderzocht. Door middel van staande röntgengolfvelden, ze waren in staat om zowel grafeen als substraat te scannen met een precisie van een paar miljoenste van een micrometer - minder dan een tiende van de straal van een atoom.

Stikstofatomen in de grenslaag zijn ook geschikt voor doping

Hun bevindingen waren verrassend. "Sommige stikstofatomen diffundeerden vanuit het grafeen in het siliciumcarbide, " legt Bocquet uit. "Vroeger werd aangenomen dat het stikstofbombardement alleen het grafeen aantastte, maar niet het substraatmateriaal."

Hoewel beide monsters op dezelfde manier werden behandeld, ze vertoonden verschillende stikstofconcentraties, maar bijna identieke elektronische doping:niet alle stikstofatomen waren geïntegreerd in het grafeenrooster, niettemin steeg het aantal elektronen in het grafeen alsof dit het geval was. De sleutel tot dit onverwachte resultaat ligt in het verschillende gedrag van de interfacelagen tussen grafeen en substraat. Voor het epitaxiale grafeen, niets veranderd:de interfacelaag bleef stabiel, de structuur onveranderd. In het quasi-vrijstaande grafeen, echter, sommige waterstofatomen tussen grafeen en substraat werden vervangen door stikstofatomen. Volgens Bocquet:"Als je het quasi vrijstaande grafeen bekijkt, onder de grafeenlaag vind je op sommige plaatsen een stikstofatoom. Deze stikstofatomen, hoewel ze geen deel uitmaken van het grafeen, kan het rooster verdoven zonder het te vernietigen. Dit onvoorziene resultaat is veelbelovend voor toekomstige toepassingen in micro- en nano-elektronica."