(PhysOrg.com)-Graphene är en tvådimensionell bikaka av kol, bara en atom tjock, vars spännande elektroniska egenskaper inkluderar mycket hög elektronmobilitet och mycket låg resistivitet. Grafen är så känslig för sin miljö, dock, att dessa anmärkningsvärda attribut kan förstöras av störningar från närliggande material. Att hitta det bästa underlaget att montera grafen på är avgörande om grafenanordningar någonsin ska bli praktiska.

Grupper under ledning av Michael Crommie och Alex Zettl, forskare vid materialvetenskapsavdelningen vid U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och professorer i fysik vid University of California i Berkeley, har gått samman för att undersöka de bästa substratkandidaterna för att bevara grafens inneboende egenskaper. Resultat av deras forskning om grafens interaktion med ett bornitridsubstrat visade sig nyligen i Nano bokstäver .

"Varje substrat påverkar egenskaperna hos grafen, så om du vill studera dess inneboende egenskaper är det bästa sättet att arbeta med suspenderad grafen, ”Säger Régis Decker, en tidigare postdoktor i Crommie -gruppen, nu vid universitetet i Hamburg, Tyskland, och huvudförfattare till rapporten Nano Letters. ”Men suspenderad grafen är ganska instabil när den undersöks med skanningssondtekniker som skanning av tunnelmikroskopi ” - STM -” eftersom grafenmembranet kan vibrera under spetsen. Så tanken är att hitta ett substrat som härmar fallet med suspenderad grafen. ”

En grupp baserad på Columbia University rapporterade, i oktober 2010, att grafen som stöds på ett bornitrid (BN) -substrat hade dramatiskt bättre elektronmobilitet än grafen monterat på det vanligaste halvledarsubstratet, kiseldioxid (SiO ₂ ).

"Columbia -gruppen visade att elektronernas rörlighet i grafen på bornitrid är mycket bättre än grafen på kiseldioxid, men det var många frågor som deras makroskopiska mätningar inte svarade på, ”Säger Crommiegruppens Yang Wang, medförfattare till rapporten Nano Letters. Crommie- och Zettl -grupperna jämförde de två systemen sida vid sida för att ta reda på varför bornitrid fungerar så bra. "För att undersöka BN på atomskala använde vi STM för att skapa en bild av systemets topografi och mäta dess lokala elektroniska tillstånd."

Letar efter vad som gör bornitrid speciellt

Säger Decker, ”För att ett grafensubstratsystem ska kunna efterlikna suspenderat grafen, substratet behöver ett stort elektroniskt bandgap och inga dinglande bindningar, för att undvika förändringar i grafens elektroniska struktur. Underlaget måste också vara mycket plant, som suspenderad grafen skulle vara. Bornitrid är en bra kandidat eftersom den uppfyller dessa krav. ”

Det som först lockade utredare till bornitridets potential som grafensubstrat var dess ovanliga strukturella egenskaper. I sin sexkantiga struktur (h-BN), alternerande kväve- och boratomer efterliknar nära hur kolatomer är arrangerade i grafen. Bor- och kväveatomer i BN -föreningar är parade lika, och tillsammans deras valenselektroner (tre och fem, respektive) lika med ett par kolatomer (fyra var). Även om h-BN-gallret är cirka 1,7 procent större än grafen och inte står i proportion till det, de två bikakorna som läggs på varandra kan justeras mycket närmare än grafen på kiseldioxid. Till skillnad från grafen, som normalt inte har något bandgap, h-BN har ett brett bandgap, på grund av de alternerande bor- och kväveatomerna i dess gitter.

För att skapa grafen/BN -enheter, Zettl-gruppen reducerade först bornitridkristaller till små flingor genom den beprövade metoden att ”exfoliera” dem mellan remsor av Scotch Tape. BN -flingorna avsattes på ett lager SiO ₂ , som odlades på ett lager av dopat kisel som, i tur och ordning, användes som en portelektrod för att ställa in laddningskoncentrationen - ett sätt att "dopa" grafenlagret ovanför - under skanning av tunnelmikroskopi.

Crommiegruppens Qiong Wu skapade grafen med hjälp av kemisk ångavsättning på koppar; på koppar, kolatomer samlar sig själv till ett bikakegitter en enda atom tjock. Grafenarken överfördes från koppar till mjuk plast och placerades sedan ovanpå bornitridflingorna genom att trycka på plasten på BN. Hela aggregatet glödgades vid hög värme.

Grafenskiktet jordades genom avsättning av en titanguldelektrod på den. Tre grafen/BN -system gjordes på detta sätt, redo för direkta STM -jämförelser med grafen på kiseldioxid. STM -spetsen kunde skanna över grafenlagret, mätning av topografi och lokala laddningskoncentrationer vid olika dopningsnivåer som bestäms av kiselskiktsportelektroden.

Bornitrid kontra kiseldioxid

"Ett par saker trodde att de stör elektronmobilitet i grafen på kiseldioxid, ”Säger Victor Brar från Crommie -gruppen. "Det ena är föroreningar som doppar grafen och lokalt förändrar koncentrationen av laddningar."

Ett säkert sätt att förkorta den genomsnittliga fria vägen för elektroner (eller deras positivt laddade motsvarigheter, ( som är fluktuationer i lokala koncentrationer av laddning. I grafen på SiO _2, laddpölar är vanliga.

"Vi hade tidigare studerat egenskaperna hos grafen/kiseldioxidsystem i detalj, Säger Michael Crommie, "Och visade att laddpölar inte orsakas av ringar eller korrugeringar i grafenarket, som föreslagits, utan snarare av föroreningar under grafenskiktet. ”

En källa till dessa föroreningar kan vara främmande material som fastnar mellan grafen och substrat när grafenskiktet appliceras. Små luftbubblor eller vattenmolekyler eller andra främmande ämnen kan fungera som dopmedel.

"När vi gjorde grafen på bor-nitrid-enheter letade vi efter föroreningar i atmosfären, men vi såg inga tecken på deras effekter, Säger Brar. ”För tillverkning av praktiska grafenanordningar, det är goda nyheter, för det betyder att de inte behöver monteras i vakuum. ”

En annan källa till grafendopning och efterföljande laddningskoncentrationer är dinglande bindningar i substratet. En valenselektron tillgänglig för bindning med en annan atom är ett recept för kemisk reaktivitet, och kiseldioxid har en hög koncentration av dinglande bindningar. Bornitrid, dock, har inga elektroner kvar för att bilda dinglande bindningar.

STM -jämförelser av de två systemen visade tydligt skillnaderna mellan dem. Topografiskt, grafen på bornitrid är mycket mindre grov än grafen på kisel, med höjdskillnader på de skannade ytorna som bara når cirka 40 pikometer (biljondelar av en meter). Höjdskillnaderna med kiseldioxid -substratet var upp till 30 gånger större.

Elektroniskt, variationer i laddningstäthet reducerades dramatiskt i BN -substratet. Jämfört med de nästan oändliga värdena för bornitridsystemet, grafer över kiseldioxidsystem liknar moderna färgfältmålningar.

Till sist, Decker säger, "Eftersom dess gitterkonstant är mycket nära grafen, teoretiker förutspådde att detta inducerar ett bandgap i grafen, vilket skulle vara intressant för applikationer ” - om inte för att bibehålla grafens inneboende egenskaper. Crommie -gruppen undersökte hur elektroniska egenskaper kan variera beroende på orienteringen av grafenarket på bornitridsubstratet. De två, inte helt överensstämmande galler förrådde deras inriktning genom att uppvisa förändrade moirémönster med olika inriktningar.

Säger Wang, ”Vi såg många olika inriktningar, inklusive justeringar som var nästan perfekta. Men grafen uppvisade fortfarande inget bandgap. ”Sammanfattningsvis hur grafen orienteras på ett bornitrid -substrat gör ingen påvisbar skillnad i dess utmärkta elektroniska egenskaper.

Michael Crommie säger, ”Grafen/BN -systemet är verkligen mycket trevligare än något annat substrat för en rad applikationer. Det finns många färre orenheter, mycket mindre laddningshomogenitet, mycket mindre ojämnhet, och mycket mer stabilitet - totalt sett en mycket renare miljö för att studera grafens inneboende egenskaper. Bornitrid är ett riktigt fantastiskt system för praktiska grafenanordningar. ”