En närbild, tredimensionell bild av en enda kväveatom i ett ark av grafen - ett material tillverkat av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster. Den större kväveatomen sticker ut ovanför sina kolgrannar och bidrar med ungefär hälften av sin extra elektron till grafengittret, ändra dess elektroniska egenskaper. Bilden gjordes med ett scanning tunnelmikroskop. Bild med tillstånd av Science/AAAS
(PhysOrg.com) -- Styrkan, flexibilitet, transparens och hög elektrisk ledningsförmåga hos enskiktsgrafen gör det till ett potentiellt unikt och värdefullt material för nästa generations elektroniska enheter. Tillverkad av kolatomer arrangerade i ett bikakemönster – tänk på ett hönsnätsstängsel – det är 97 procent genomskinligt och 1, 000 gånger starkare än stål.
Forskare arbetar på sätt att ställa in egenskaperna hos grafen för specifika elektroniska tillämpningar. Ett sätt att göra det är genom att dopa – att införa små mängder av andra element, som kväve eller fosfor, som antingen adderar eller subtraherar elektroner från systemet. Används i stor utsträckning inom silikonteknologi, dopning har utförts experimentellt i enskiktsgrafenark; men tills nu, Detaljerna om hur dopningsatomerna passar in i arket och binder till sina kolgrannar förblev svårfångade.
I en studie rapporterade 9 augusti in Vetenskap , forskare från Columbia University, Sejong University i Korea och SLAC och Brookhavens nationella laboratorier använde en kombination av fyra tekniker för att göra de första detaljerade bilderna av kvävedopad grafenfilm. De visade att enskilda kväveatomer hade tagit plats för kolatomer i det tvådimensionella arket; att ungefär hälften av den extra elektronen som varje kväveatom bidrog med var fördelad genom grafengittret; och att detta förändrade grafenarkets elektroniska struktur bara inom ett kort avstånd – ungefär lika bred som två kolatomer – från dopningsatomerna. Förmågan att kontrollera den elektroniska strukturen på atomär nivå har viktiga konsekvenser för att ställa in grafenens unika elektroniska egenskaper för specifika enhetstillämpningar.
"Vi försöker inte arbeta på befintliga system och göra dem bättre. Vi letar efter nya vägar som potentiellt kan möjliggöra mycket högre effektivitet, ” sa tidningsmedförfattaren Theanne Schiros, en ytforskare vid Department of Energy's Energy Frontier Research Center i Columbia, som undersöker grafen som en möjlig elektrod för nya fotovoltaiska enheter.
Den här bilden visar ett område av grafen som har dopats med kväveatomer. Små röda fläckar visar enstaka kväveatomer som har satt sig i grafengittret; eftersom de är lite större än kolatomer, de sticker ut något ovanför den. Större fläckar är kluster av kväveatomer. Bilden gjordes med ett scanning tunnelmikroskop. Bild från Science/AAAS
"Nu ser vi att dopning är en strategi som kan tillämpas på grafen rent och robust, " sa hon, tillhandahålla ett potentiellt sätt att skapa högkvalitativa grafenfilmer för användning i elektroniska applikationer, inklusive solceller.
Schiros är inte främmande för SLAC, efter att ha gjort sin doktorsexamen. arbete här under Anders Nilsson. Hennes nuvarande arbete på Columbia fokuserar på att använda röntgenstrålar från synkrotronljuskällor för att undersöka nya material för användning i förnybar energiteknik.
För denna studie, hon återvände till SLAC för att arbeta med Dennis Nordlund, en stabsforskare vid SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), där de senaste uppgraderingarna gjorde det möjligt för dem att automatiskt skanna många prover av de kvävedopade grafenfilmerna samtidigt.
Forskargruppen odlade filmerna genom att avsätta kemisk ånga på ett tunt ark av kopparfolie.
De analyserade några prover av film medan den låg på kopparfolien, och överförde andra till kiseldioxid, standardsubstratet för enhetsmätningar, för provning. Varje prov undersöktes med Raman-spektroskopi och scanning tunneling microscopy (STM) vid Columbia, och med röntgenstrålar vid SLAC:s SSRL, och Brookhavens National Synchrotron Light Source (NSLS).
Ramanspektra visade att kvävedopningsmedlet hade förändrat grafenarkets elektroniska egenskaper utan att störa dess grundläggande struktur. Röntgenmätningar vid SSRL-strållinjerna 10-1 och 13-2 och NSLS-strållinjen U7A indikerade att kväveatomerna låg inom grafenarkets plan och var och en hade bunden till tre kolgrannar; med andra ord, varje kväveatom hade ersatt ett kol i arket.
Till sist, STM-bilderna visade kväveatomerna som ljusa fläckar på grafenytan. Genom att räkna dessa fläckar, forskarna fastställde att koncentrationen av kvävedopningsmedel per kolatom varierade från 0,23 till 0,35 procent. Bilderna avslöjade också att kväveatomerna stack ut från grafenskiktet med cirka 0,6 Ångström, som de skulle om de hade ersatt kol i gittret. Dessa resultat överensstämde med STM-bildsimuleringar baserade på teori.
Uppsatsens huvudförfattare var Columbia fysikstudent Liuyan Zhao, arbetar i laboratoriet hos Abhay N. Pasupathy, och arbetet utfördes i samarbete med Energy Frontier Research Center i Columbia, som räknar SLAC och Stanford bland sina samarbetspartners.
