Het apparaat waarop u dit artikel momenteel leest, is ontstaan ​​uit de siliciumrevolutie. Om moderne elektrische circuits te bouwen, controleren onderzoekers de stroomgeleidende capaciteiten van silicium via doping, een proces dat ofwel negatief geladen elektronen of positief geladen "gaten" introduceert waar elektronen zich vroeger bevonden. Hierdoor kan de stroom van elektriciteit worden gecontroleerd en voor silicium omvat het het injecteren van andere atomaire elementen die elektronen kunnen aanpassen - bekend als doteermiddelen - in het driedimensionale (3D) atomaire rooster.

Het 3D-rooster van silicium is echter te groot voor de volgende generatie elektronica, waaronder ultradunne transistors, nieuwe apparaten voor optische communicatie en flexibele biosensoren die in het menselijk lichaam kunnen worden gedragen of geïmplanteerd. Om de boel wat kleiner te maken, experimenteren onderzoekers met materialen die niet dikker zijn dan een enkele laag atomen, zoals grafeen. Maar de beproefde methode voor het doteren van 3D-silicium werkt niet met 2D-grafeen, dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen die normaal geen stroom geleidt.

In plaats van doteermiddelen te injecteren, hebben onderzoekers geprobeerd een "ladingsoverdrachtslaag" aan te brengen die bedoeld is om elektronen toe te voegen of weg te trekken uit het grafeen. Eerdere methoden gebruikten echter "vuile" materialen in hun ladingsoverdrachtlagen; onzuiverheden hierin zouden het grafeen ongelijk gedoteerd achterlaten en zijn vermogen om elektriciteit te geleiden belemmeren.

Nu, een nieuwe studie in Nature Electronics stelt een betere manier voor. Een interdisciplinair team van onderzoekers, geleid door James Hone en James Teherani aan de Columbia University, en Won Jong Yoo aan de Sungkyungkwan University in Korea, beschrijft een schone techniek om grafeen te dopen via een ladingsoverdrachtslaag gemaakt van wolfraamoxyselenide met lage onzuiverheid (TOS) .

Het team genereerde de nieuwe "schone" laag door een enkele atomaire laag van een ander 2D-materiaal, wolfraamselenide, te oxideren. Toen TOS bovenop grafeen werd gelaagd, ontdekten ze dat het grafeen vol zat met elektriciteitsgeleidende gaten. Die gaten kunnen worden verfijnd om de elektriciteitsgeleidende eigenschappen van de materialen beter te beheersen door een paar atomaire lagen wolfraamselenide toe te voegen tussen de TOS en het grafeen.

De onderzoekers ontdekten dat de elektrische mobiliteit van grafeen, of hoe gemakkelijk ladingen erdoorheen gaan, hoger was met hun nieuwe dopingmethode dan eerdere pogingen. Het toevoegen van wolfraamselenide-spacers verhoogde de mobiliteit verder tot het punt waarop het effect van de TOS verwaarloosbaar wordt, waardoor de mobiliteit wordt bepaald door de intrinsieke eigenschappen van grafeen zelf. Deze combinatie van hoge doping en hoge mobiliteit geeft grafeen een grotere elektrische geleidbaarheid dan die van sterk geleidende metalen zoals koper en goud.

Naarmate het gedoteerde grafeen beter werd in het geleiden van elektriciteit, werd het ook transparanter, aldus de onderzoekers. Dit komt door Pauli-blokkering, een fenomeen waarbij ladingen die worden gemanipuleerd door doping ervoor zorgen dat het materiaal geen licht absorbeert. Bij de infrarode golflengten die in de telecommunicatie worden gebruikt, werd het grafeen meer dan 99 procent transparant. Het bereiken van een hoge mate van transparantie en geleidbaarheid is cruciaal voor het verplaatsen van informatie door op licht gebaseerde fotonische apparaten. Als er te veel licht wordt geabsorbeerd, gaat informatie verloren. Het team vond een veel kleiner verlies voor met TOS gedoteerd grafeen dan voor andere geleiders, wat suggereert dat deze methode potentieel zou kunnen hebben voor ultra-efficiënte fotonische apparaten van de volgende generatie.

"Dit is een nieuwe manier om de eigenschappen van grafeen op aanvraag aan te passen," zei Hone. "We zijn net begonnen met het verkennen van de mogelijkheden van deze nieuwe techniek."

Een veelbelovende richting is om de elektronische en optische eigenschappen van grafeen te veranderen door het patroon van de TOS te veranderen, en om elektrische circuits rechtstreeks op het grafeen zelf af te drukken. Het team werkt ook aan de integratie van het gedoteerde materiaal in nieuwe fotonische apparaten, met mogelijke toepassingen in transparante elektronica, telecommunicatiesystemen en kwantumcomputers. + Verder verkennen

Rekken verandert de elektronische eigenschappen van grafeen