(PhysOrg.com)-En enkel ettstegsprocess som producerar både n-typ och p-typ dopning av grafenytor med stor yta kan underlätta användningen av det lovande materialet för framtida elektroniska enheter. Doptekniken kan också användas för att öka konduktiviteten i grafen -nanoribb som används för sammankopplingar.

Genom att applicera ett kommersiellt tillgängligt spin-on-glass (SOG) -material på grafen och sedan utsätta det för elektronstrålar, forskare vid Georgia Institute of Technology skapade båda typerna av dopning genom att helt enkelt variera exponeringstiden. Högre nivåer av e-strålenergiproducerade områden av p-typ, medan lägre nivåer producerade områden av n-typ.

Tekniken användes för att tillverka högupplösta p-n-korsningar. När den är rätt passiverad, dopningen som skapats av SOG förväntas förbli på obestämd tid i de grafenark som forskarna studerat.

"Detta är ett möjliggörande steg mot att möjliggöra kompletterande metalloxidgrafen -transistorer, "sa Raghunath Murali, en senior forskningsingenjör vid Georgia Techs Nanotechnology Research Center.

Ett papper som beskriver tekniken visas i veckan i tidningen Tillämpad fysikbokstäver. Forskningen stöddes av Semiconductor Research Corporation och Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) genom Interconnect Focus Center.

I den nya dopningsprocessen, Murali och doktoranden Kevin Brenner börjar med att ta bort flingor av grafen ett till fyra lager tjocka från ett block av grafit. De placerar materialet på en yta av oxiderat kisel, tillverka sedan en fyrpunkts kontaktanordning.

Nästa, de snurrar på filmer av vätesilseskvoxan (HSQ), härda sedan vissa delar av den resulterande tunna filmen med hjälp av elektronstrålar. Tekniken ger exakt kontroll över mängden strålning och där den appliceras på grafen, med högre energinivåer som motsvarar mer tvärbindning av HSQ.

"Vi gav varierande doser av elektronstråle-strålning och studerade sedan hur det påverkade egenskaperna hos bärare i grafengitteret, "Murali sa." E-strålen gav oss ett bra utbud av kontroll som kan vara värdefullt för att tillverka nanoskala enheter. Vi kan använda en elektronstråle med en diameter på fyra eller fem nanometer som tillåter mycket exakta dopningsmönster. "

Elektroniska mätningar visade att en grafen p-n-övergång skapad av den nya tekniken hade stora energiseparationer, indikerar starka dopningseffekter, han lade till.

Forskare någon annanstans har visat grafendopning med hjälp av en mängd olika processer, inklusive att blötlägga materialet i olika lösningar och utsätta det för en mängd olika gaser. Georgia Tech -processen antas vara den första som tillhandahåller både elektron- och håldopning från ett enda dopningsmaterial.

Dopningsprocesser som används för grafen kommer sannolikt att skilja sig väsentligt från de som fastställts för användning av kisel, Sa Murali. I kisel, dopningssteget ersätter atomer i ett annat material med kiselatomer i materialets gitter.

I den nya enstegsprocessen för grafen, dopningen tros införa väteatomer och syre i närheten av kolgitteret. Syre och väte ersätter inte kolatomer, utan upptar istället platser ovanpå gitterstrukturen.

"Energi som appliceras på SOG bryter kemiska bindningar och frigör väte och syre som binder till kolgitteret, "Murali sa." En hög e-beam-energi omvandlar hela SOG-strukturen till mer av ett nätverk, och då har du mer syre än väte, vilket resulterar i en dopning av p-typ. "

I volymtillverkning, elektronstrålestrålningen skulle sannolikt ersättas av en konventionell litografiprocess, Sa Murali. Att variera reflektansen eller överföringen av maskuppsättningen skulle styra mängden strålning som når SOG, och det skulle avgöra om områden av n-typ eller p-typ skapas.

"Att göra allt i ett enda steg skulle undvika några av de dyra litografistegen, "sa han." Gråskal litografi skulle möjliggöra fin kontroll av dopning över hela ytan av skivan. "

För dopning av bulkområden som sammankopplingar som inte kräver mönster, forskarna belägger helt enkelt området med HSQ och utsätter det för en plasmakälla. Tekniken kan göra nanoribbon upp till 10 gånger mer ledande än obehandlat grafen.

Eftersom HSQ redan är bekant för mikroelektronikindustrin, ett-stegs tillvägagångssätt för dopning kan hjälpa till att integrera grafen i befintliga processer, undvika avbrott i det massiva halvledardesign- och tillverkningssystemet, Noterade Murali.

Under de senaste två åren har forskare i Nanotechnology Research Center hade observerat förändringar orsakade av applicering av HSQ under elektriska tester. Först nyligen tittade de närmare på vad som hände för att förstå hur man kan dra nytta av fenomenet.

För framtiden, de vill bättre förstå hur processen fungerar och om andra polymerer kan ge bättre resultat.

"Vi måste få en bättre förståelse för hur vi kan styra denna process eftersom variationer är en av de frågor som måste kontrolleras för att göra tillverkningen genomförbar, "Murali förklarade." Vi försöker identifiera andra polymerer som kan ge bättre kontroll eller starkare dopningsnivåer. "