Danska forskare har för första gången kartlagt bärarrörligheten och densiteten hos stora ark grafen med elektromagnetisk strålning.
Under det senaste decenniet, det vanliga sättet att mäta grafens elektroniska egenskaper - särskilt bärarmobilitet och bärartäthet, som tillsammans ger plåten konduktans – har varit att tillverka en transistorliknande anordning och elektroniskt mäta hur konduktansen förändras som en funktion av pålagd elektrostatisk grindspänning. Detta helelektroniska tillvägagångssätt är bäst när man har att göra med små bitar av grafen, såsom de mikroskopiska flingorna som produceras genom mikromekanisk klyvning (även känd som '' scotch-tape-metoden '')-dock Framsteg inom grafenproduktionstekniker gör det nu möjligt för oss att kontinuerligt producera stora ytor av grafen meter över. Att producera och mäta tusentals eller miljoner mikroskopiska enheter från sådana ark skulle vara opraktiskt och skulle minska den användbara ytan av grafen för den avsedda applikationen. Vi måste kunna kontrollera sådana stora regioners elektroniska egenskaper utan att förstöra dem i processen.
Forskare vid Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har visat att både bärarrörligheten och bärartätheten hos grafen kan mätas på ett rumsligt upplöst och oförstörande sätt – vilket ger "kartor" över de elektroniska egenskaper som är avgörande för framgångsrik användning av grafen i solceller, elektronik, spintronik och optik - använder terahertz (THz) strålning och gör bort behovet av att tillverka enheter. Genom att använda en procedur som kallas THz-tidsdomänspektroskopi, Jonas Buron och kollegor från DTU-forskarteam ledda av Peter Uhd Jepsen och Peter Bøggild mätte bärarrörligheten och bärartätheten vid tiotusentals punkter i ett centimeterstort enda lager grafen.
Ett viktigt steg i dessa första kontaktfria mätningar av grafens elektroniska egenskaper var insikten att grafenkonduktansen kunde ställas in under mätningarna med hjälp av en bakport, som är transparent för THz-strålning. "Medan vi fortfarande behöver överföra grafenet till ett speciellt substrat med den THz-osynliga grinden, det är mycket lättare och mindre destruktivt än konventionella tekniker ... och mycket, mycket snabbare", säger Jonas Buron. För många elektroniska tillämpningar av grafen, tillverkningen av en bakport är ett nödvändigt steg i alla fall. "Med viss optimering kan vi potentiellt kartlägga bärarrörligheten och densiteten för en grafenbelagd 4-tums wafer på några minuter."
Kartorna över grafens elektroniska egenskaper ger redan insikt och överraskningar om ursprunget till deras rumsliga variation – i ett prov, forskarna observerade dubbelt så stor variation i rörlighet som i bärartäthet. Variationer i konduktans tillskrivs vanligtvis bärardensitetsförändringar på grund av dopningsvariationer, men forskarna bevisade att här inte var fallet. "Vi har ofta noterat så långsamma variationer av konduktiviteten över många centimeter i THz -mätningar." Peter Bøggild förklarade. "Men eftersom grafen är så lättdopat på grund av dess extrema yta-till-volymförhållande, Vi förväntade oss alltid att dessa skulle relateras till lokala dopningsnivåvariationer. I detta fall, vi har precis den motsatta situationen, och detta är förbryllande. Utan denna rörlighetskartläggningsteknik hade vi aldrig vetat. "
THz-TDS-tekniken har en stark potential, tillägger Peter Uhd Jepsen. "Det är redan förvånande hur djup information vi kan extrahera från att överföra strålning genom ett bara 0,3 nm tunt ark med kolatomer, som stöds av en 1,5 miljoner gånger tjockare bit kisel. Vi lär oss fortfarande hur man karakteriserar grafens elektriska egenskaper utan elektriska kontakter, och det verkar finnas utmärkta alternativ för att förbättra och påskynda tekniken. "
