Een interdisciplinair team van wetenschappers van het U.S. Naval Research Laboratory (NRL), Elektronica Wetenschap en Technologie en Materiaalwetenschappen en Technologie Divisies, heeft hyperthermische ionenimplantatie (HyTII) aangetoond als een effectief middel om grafeen - een hexagonaal gerangschikte koolstofplaat met enkele atomaire dikte - vervangend te doteren met stikstofatomen. Het resultaat is een low-defect film met een afstembare bandstructuur die geschikt is voor een verscheidenheid aan apparaatplatforms en toepassingen.

Uit het onderzoek blijkt dat de HyTII-methode zorgt voor een hoge mate van controle, inclusief dopingconcentratie en, Voor de eerste keer, demonstreert dieptecontrole van implantatie door een enkele monolaag grafeen in een dubbellaagse grafeenstapel te doteren. Dit toont verder aan dat de resulterende films hoogwaardige elektronische transporteigenschappen hebben die alleen kunnen worden beschreven door veranderingen in de bandstructuur in plaats van het door defecten gedomineerde gedrag van grafeenfilms die zijn gedoteerd of gefunctionaliseerd met behulp van andere methoden.

"Sinds de ontdekking dat een enkele atomaire laag van sp2 gebonden koolstofatomen, grafeen genoemd, kan worden geïsoleerd uit bulkgrafiet, een overvloed aan opmerkelijke elektronische en spintronische eigenschappen zijn ontstaan, " zei Dr. Cory Cress, materiaal onderzoek ingenieur, NRL. "Echter, er zijn weinig toepassingen op komst omdat grafeen geen bandgap heeft en de doping ervan moeilijk te controleren is, waardoor grafeenapparaten alleen concurrerend zijn voor zeer gespecialiseerde apparaattechnologieën."

Doping of chemische functionalisering kan een bruikbare transportkloof toevoegen. Echter, deze methoden hebben de neiging om films te produceren die worden geplaagd door onbedoelde defecten, een lage stabiliteit hebben, of niet-uniforme dekking van doteerstoffen en functionele groepen, die allemaal hun bruikbaarheid aanzienlijk beperken en de intrinsieke gewenste eigenschappen van de grafeenfilm aantasten.

Als een alternatief, NRL-wetenschappers gebruikten hun achtergrond van stralingseffecten om een ​​hyperthermisch ionenimplantatiesysteem te ontwikkelen met de nodige precisie en controle om stikstof (N+) in grafeen te implanteren en doping te bereiken via directe substitutie.

"Na vele maanden van ontwikkeling van het systeem, de haalbaarheid van de techniek hing echt af van het eerste experiment, " zei Cress. "In onze studie, we hebben het bereik van hyperthermische ionenenergieën bepaald die de hoogste fractie stikstofdoping opleverden, terwijl het minimaliseren van defecten, en we waren erin geslaagd de inherente dieptecontrole van het HyTII-proces te bevestigen."

Om dat laatste te bereiken, de wetenschappers implementeerden een dubbellaags grafeenmateriaalsysteem bestaande uit een laag natuurlijk grafeen, met voornamelijk koolstof-12 (12C) atomen, gelaagd op grafeen gesynthetiseerd met meer dan 99 procent koolstof-13 (13C). Dit dubbellaags materiaal bood een middel om te identificeren welke laag ze aan het wijzigen waren bij analyse met Raman-spectroscopie.

Apparaten gemaakt van films die zijn verwerkt met N+ in het bereik van optimale doping vertonen een overgang van sterke naar zwakke lokalisatie die afhangt van de implantatiedosis, wat wijst op het vermogen van de geïmplanteerde stikstof om de intrinsieke eigenschappen van de film te veranderen. Zoals verder blijkt uit de hoge elektronische kwaliteit van de geïmplanteerde apparaten ten opzichte van vergelijkbare met adatom gedoteerde apparaten, de wetenschappers ontdekten dat de temperatuurafhankelijkheid kan worden aangepast door een model dat rekening houdt met zowel bandeffecten als gevolg van de vervangende doping als isolator-achtige effecten als gevolg van defectvorming, waarbij de waargenomen bandeffecten de dominante component zijn.

Verrassend genoeg, de onderzoekers ontdekten dat een hogere hoeveelheid stikstofdoping de overgang naar isolerend gedrag in de buurt van het ladingsneutraliteitspunt voorkomt. Defecten lijken het gedrag alleen te domineren bij grote implantatie-energieën, waar defecten waarschijnlijker zijn, verder demonstreren van de verschillen tussen echt gedoteerde films en eerdere defecte/gedoteerde films.

"Onze metingen van deze apparaten geven sterk aan dat we eindelijk een grafeenfilm hebben gefabriceerd met een afstembare bandgap, lage defectdichtheid, en hoge stabiliteit, " legt Dr. Adam L. Friedman uit, onderzoek fysicus, NRL. "We veronderstellen daarom dat HyTII-grafeenfilms een groot potentieel hebben voor elektronische of spintronische toepassingen voor hoogwaardig grafeen waar een transport- of bandgap en een hoge dragerconcentratie gewenst zijn."