(Phys.org) —Forskare som använder röntgenstrålar för att studera ett enda atomtjockt kolskikt, kallas grafen, har lärt sig ny information om dess atombindning och elektroniska egenskaper när materialet är "dopat" med kväveatomer. De visar att synkrotronröntgentekniker kan vara utmärkta verktyg för att studera och bättre förstå beteendet hos dopad grafen, som är ögat för användning som ett lovande kontaktmaterial i elektroniska enheter på grund av dess många önskvärda egenskaper, inklusive en hög ledningsförmåga och, framför allt, avstämbara elektroniska egenskaper.

Dopande grafen med små mängder av ett annat element, såsom kväve eller bor, gör det till antingen ett "n-typ" -material (med överskott av negativa laddningsbärare, elektroner) eller ett material av "p-typ" (som har överskott av positiva laddningsbärare, dvs lediga elektroner som kallas "hål"). På det här sättet, dopning gör det möjligt för forskare att "justera" dess egenskaper, inklusive typer av bindningar mellan atomerna och hur laddningsbärare fördelas. Denna typ av kontroll är nyckeln när man utvecklar ett material med specifika tillämpningar i åtanke. Ett liknande exempel är dopningen av kisel som används i kiselbaserade solceller; verkligen, Dopad grafen undersöks för dess potentiella användning som kontaktmaterial i solceller (bland dess många lämpliga egenskaper för en sådan roll är dess transparens för synligt ljus, en nödvändig funktion för en elektrisk solcellskontakt).

I det här arbetet, forskarna upptäckte att flera bindningstyper kan finnas mellan kol- och kväveatomer, även inom samma grafenark. Detta resulterar i djupt olika effekter på laddningsbärarkoncentrationen över arket, vilket inte är idealiskt.

"Våra resultat tyder på att kontroll av bindningstyperna i kemiskt dopad grafen kommer att vara en avgörande del av att skräddarsy dess egenskaper för en viss applikation och för att utveckla grafenbaserad elektronik i allmänhet, "sa Theanne Schiros, studiens motsvarande forskare, som är forskare vid Energy Frontier Research Center vid Columbia University. Hon är också huvudförfattare på motsvarande publicerade tidning i Nano bokstäver .

Tidningens medförfattare inkluderar kollegor vid Columbia University samt Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), CNR-Nanoscience Institute (Italien), Sejong University (Korea), National Institute of Standards and Technology, Stockholms universitet (Sverige), och Brookhaven National Laboratory.

Gruppens röntgendata visar att även om det är möjligt att skapa grafen av n-typ – där en enda kväveatom ersätter en enda kolatom, kallas en grafitisk bindning – upp till tre bindningstyper kan observeras i ett enda ark beroende på bearbetnings- och tillväxtförhållanden. Dessa motsvarar de tre sätten på vilka en kväveatom och en kolatom kan dela elektroner.

Effekterna av varje typ på grafenens elektroniska struktur är ganska olika. Till exempel, kväveatomer som bildar en "grafitisk" bindning med kolatomer, vilket betyder att kväve och kol delar två elektroner, tenderar att öka antalet laddningsbärare i materialet. "Pyridin" och "nitril" bindningar, å andra sidan, tenderar att dra ut laddningsbärare från kolgittret.

Vid NSLS-strållinje U7A och SSRL-strållinje 10-1 och 13-2, Schiros och hennes grupp använde tre röntgentekniker för att studera deras grafenprover:röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS), och röntgenemissionsspektroskopi (XES). Varje fungerar genom att dra nytta av ett sätt på vilket röntgenstrålar kan interagera med ett prov, därför ger var och en unik information om det provet.

XPS mäter antalet och energierna hos de elektroner som kommer ut från ytan på ett prov när det belyses med röntgenstrålar, och ger därför information om grundkoncentrationen och bindningsenergierna, som återspeglar den lokala kemiska bindningsmiljön. XAS ger direkt information om typen av bindning mellan kväve- och kolatomer, orienteringen av det bandet, och de obesatta molekylära orbitaler som bildas mellan dopnings- och värdatomer. XES tillhandahåller kompletterande, atomspecifik information om ockuperade elektronenerginivåer nära "Fermi-nivån, " som spelar en nyckelroll i grafens elektroniska beteende.

I kombination med teoretiska beräkningar, de tre teknikerna ger en tydlig bild av dopämnenas roll i grafenens elektroniska beteende.

Denna forskning publicerades den 29 juni, 2012, onlineutgåva av Nano bokstäver .