Door calcium toe te voegen aan een composiet grafeen-substraatstructuur ontstaat een supergeleider met een hoge overgangstemperatuur (Tc).

In een nieuwe studie, een door Australië geleid team heeft voor het eerst bevestigd wat er werkelijk met die calciumatomen gebeurt:iedereen verrast, het calcium gaat onder zowel de bovenste grafeenplaat als een onderste bufferplaat, drijvend het grafeen op een bed van calciumatomen.

Supergeleidend calciumgeïnjecteerd grafeen is veelbelovend voor energiezuinige elektronica en transparante elektronica.

Met calcium gedoteerd grafeen bestuderen:het dekbed van zich afgooien

De eigenschappen van grafeen kunnen worden verfijnd door injectie van een ander materiaal (een proces dat intercalatie wordt genoemd) ofwel onder het grafeen, of tussen twee grafeenvellen.

Deze injectie van vreemde atomen of moleculen verandert de elektronische eigenschappen van het grafeen door ofwel de geleiding te vergroten, afnemende interacties met het substraat, of allebei.

Door calcium in grafiet te injecteren, ontstaat een composietmateriaal (calcium-geïntercaleerd grafiet, CaC ₆ ) met een relatief hoge supergeleidende overgangstemperatuur (T _C ). In dit geval, de calciumatomen bevinden zich uiteindelijk tussen grafeenplaten.

Het injecteren van calcium in grafeen op een siliciumcarbidesubstraat creëert ook een hoge T _C supergeleider, en we dachten altijd dat we ook in dit geval wisten waar het calcium heen ging...

Grafeen op siliciumcarbide heeft twee lagen koolstofatomen:een grafeenlaag bovenop een andere bufferlaag:een koolstoflaag (grafeen-achtige structuur) die zich vormt tussen het grafeen en het siliciumcarbidesubstraat tijdens de synthese, en is niet-geleidend omdat het gedeeltelijk aan het substraatoppervlak is gehecht.

"Stel je voor dat siliciumcarbide is als een matras met een hoeslaken (de bufferlaag eraan gehecht) en een plat laken (het grafeen), " legt hoofdauteur Jimmy Kotsakidis uit.

Conventionele wijsheid was van mening dat calcium tussen de twee koolstoflagen (tussen twee vellen) zou moeten injecteren, vergelijkbaar met injectie tussen de grafeenlagen in grafiet. Verrassend genoeg, het door Monash University geleide team ontdekte dat wanneer geïnjecteerd, de eindbestemming van de calciumatomen ligt tussen de bufferlaag en het onderliggende siliciumcarbide substraat (tussen het hoeslaken en de matras!).

"Het was nogal een verrassing voor ons toen we ons realiseerden dat het calcium zich hechtte aan het siliciumoppervlak van het substraat, het ging echt in tegen wat we dachten dat er zou gebeuren, " legt Kotsakidis uit.

Na injectie, het calcium verbreekt de bindingen tussen de bufferlaag en het substraatoppervlak, dus, waardoor de bufferlaag boven de ondergrond gaat 'zweven', het creëren van een nieuwe, quasi-vrijstaande dubbellaagse grafeenstructuur (Ca-QFSBLG).

Dit resultaat was niet voorzien, met uitgebreide eerdere studies die geen rekening houden met calciumintercalatie onder de bufferlaag. De studie lost dus de al lang bestaande verwarring en controverse over de positie van het geïntercaleerde calcium op.

Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) -metingen bij het Australische Synchrotron waren in staat om de locatie van het calcium in de buurt van het siliciumcarbide-oppervlak te bepalen

De resultaten werden ook ondersteund door lage-energie-elektronendiffractie (LEED), en scanning tunneling microscopie (STM) metingen, en door modellering met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

En magnesium ook...

Met deze informatie bij de hand, het Australische team besloot ook om te onderzoeken of magnesium - dat notoir moeilijk in de grafietstructuur te injecteren is - kan worden ingevoegd (geïntercaleerd) in grafeen op een siliciumcarbidesubstraat.

Tot verbazing van de onderzoekers magnesium gedroeg zich opmerkelijk vergelijkbaar met calcium, en ook geïnjecteerd tussen het grafeen en het substraat, opnieuw drijvend het grafeen.

Zowel magnesium- als calcium-geïntercaleerd grafeen n-type doopte het grafeen, en resulteerde in een lage werkfunctie grafeen, een aantrekkelijk aspect bij het gebruik van grafeen als geleidend elektrisch contact voor andere materialen.

Maar in tegenstelling tot calcium, magnesium-geïntercaleerd grafeen bleef gedurende ten minste zes uur stabiel in de omgevingsatmosfeer, het overwinnen van een grote technische hindernis voor met alkali en aardalkali geïntercaleerd grafeen.

"Het feit dat Mg-QFSBLG een materiaal met een lage werkfunctie is en het n-type het grafeen dopt terwijl het vrij stabiel blijft in de omgevingsatmosfeer, is een enorme stap in de goede richting voor het implementeren van deze nieuwe geïntercaleerde materialen in technologische toepassingen, " legt co-auteur prof. Michael Fuhrer uit.

"Met magnesium geïntercaleerd grafeen zou een opstap kunnen zijn naar de ontdekking van andere vergelijkbare stabiele intercalanten."

De krant, "Vrijstaand n-gedopeerd grafeen via intercalatie van calcium en magnesium in de bufferlaag-SiC (0001) interface, " werd gepubliceerd in Chemie van materialen in juli 2020.