Forskare skapar grafen p-n-korsningar genom att överföra filmer av det elektroniska materialet till substrat som har mönstrats av föreningar som antingen är starka elektrondonatorer eller elektronacceptorer.

De elektroniska egenskaperna hos grafenfilmer påverkas direkt av egenskaperna hos substraten på vilka de odlas eller till vilka de överförs. Forskare utnyttjar detta för att skapa grafen-p-n-korsningar genom att överföra filmer av det lovande elektroniska materialet till substrat som har mönstrats av föreningar som antingen är starka elektrondonatorer eller elektronacceptorer.

En låg temperatur, kontrollerbar och stabil metod har utvecklats för att doppa grafenfilmer med hjälp av självmonterade monoskikt (SAM) som modifierar gränssnittet för grafen och dess stödsubstrat. Med hjälp av detta koncept, ett team av forskare vid Georgia Institute of Technology har skapat grafen p-n-korsningar-som är avgörande för att tillverka enheter-utan att skada materialets gitterstruktur eller avsevärt minska elektron/hålmobilitet.

Grafen odlades på en kopparfilm med användning av kemisk ångavsättning (CVD), en process som möjliggör syntes av storskaliga filmer och deras överföring till önskade substrat för apparatapplikationer. Grafenfilmerna överfördes till kiseldioxid-substrat som funktionaliserades med de självmonterade monoskikten.

Information om hur man skapar grafen p-n-korsningar med hjälp av självmonterade monoskikt presenterades den 28 november, 2012 vid Materialmötesföreningens höstmöte. Papper som beskriver aspekter av arbetet publicerades också i september 2012 i tidskrifterna ACS Tillämpade material och gränssnitt och den Journal of Physical Chemistry C . Finansiering för forskningen kom från National Science Foundation, genom Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) och genom separata forskningsbidrag.

"Vi har lyckats visa att du kan göra ganska väl dopad p-typ och n-typ grafen kontrollerbart genom att mönstra det underliggande monoskiktet istället för att modifiera grafen direkt, "sa Clifford Henderson, professor vid Georgia Tech School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Att lägga grafen ovanpå självmonterade monoskikt använder effekten av elektrondonation eller elektronuttag under grafenen för att ändra materialets elektroniska egenskaper."

Georgia Tech -forskargruppen som arbetar med projektet inkluderar fakultetsmedlemmar, postdoktorer och doktorander från tre olika skolor. Förutom Henderson, professorer som ingår i teamet inkluderar Laren Tolbert från School of Chemistry and Biochemistry och Samuel Graham från Woodruff School of Mechanical Engineering. I projektteamet ingår också Hossein Sojoudi, en postdoktor, och Jose Baltazar, en forskarassistent.

Att skapa dopning av n-typ och p-typ i grafen-som inte har någon naturlig bandgap-har lett till utveckling av flera tillvägagångssätt. Forskare har ersatt några av kolatomerna i grafengitteret med kväveatomer, föreningar har applicerats på grafenens yta, och kanterna på grafen -nanoribb har modifierats. Dock, de flesta av dessa tekniker har nackdelar, inklusive störning av gallret-vilket minskar elektronmobilitet-och långsiktiga stabilitetsproblem.

"Varje gång du sätter grafen i kontakt med ett underlag av något slag, materialet har en inneboende tendens att ändra sina elektriska egenskaper, "Henderson sa." Vi undrade om vi kunde göra det på ett kontrollerat sätt och använda det till vår fördel för att göra materialet övervägande n-typ eller p-typ. Detta kan skapa en dopningseffekt utan att det införs defekter som skulle störa materialets attraktiva elektronmobilitet. "

Med konventionell litografiteknik, forskarna skapade mönster från olika silanmaterial på ett dielektriskt substrat, vanligtvis kiseloxid. Materialen valdes eftersom de antingen är starka elektrondonatorer eller elektronacceptorer. När en tunn film av grafen placeras över mönstren, de underliggande materialen skapar laddade sektioner i grafen som motsvarar mönstret.

"Vi kunde doppa grafen i både n-typ och p-typ material genom en elektrondonation eller uttagseffekt från monoskiktet, "Förklarade Henderson." Det leder inte till de substitutionsdefekter som kan ses med många andra dopningsprocesser. Själva grafenstrukturen är fortfarande orörd när den kommer till oss i överföringsprocessen. "

Monoskikten är bundna till det dielektriska substratet och är termiskt stabila upp till 200 grader Celsius med grafenfilmen över dem, Sojoudi noterade. Georgia Tech-teamet har använt 3-Aminopropyltriethoxysilane (APTES) och perfluorooctyltriethoxysilane (PFES) för mönster. I princip, dock, det finns många andra kommersiellt tillgängliga material som också kan skapa mönster.

"Du kan bygga så många regioner av n-typ och p-typ som du vill, "Sa Sojoudi." Du kan till och med trappa dopningen kontrollerbart upp och ner. Denna teknik ger dig kontroll över dopningsnivån och vad den dominerande bäraren är i varje region. "

Forskarna använde sin teknik för att tillverka grafen p-n-korsningar, som verifierades genom skapandet av fälteffekttransistorer (FET). Karakteristiska IV-kurvor indikerade förekomsten av två separata Dirac-punkter, som indikerade en energiseparation av neutralitetspunkter mellan p- och n -regionerna i grafen, Sojoudi sa.

Gruppen använder kemisk ångavsättning för att skapa tunna filmer av grafen på kopparfolie. En tjock film av PMMA centrifugerades ovanpå grafen, och den underliggande kopparen avlägsnades sedan. Polymeren fungerar som en bärare för grafen tills den kan placeras på det monoskiktbelagda substratet, varefter den tas bort.

Utöver att utveckla dopningsteknikerna, teamet undersöker också nya prekursormaterial som kan tillåta CVD -produktion av grafen vid tillräckligt låga temperaturer för att tillåta tillverkning direkt på andra enheter. Det kan eliminera behovet av att överföra grafen från ett substrat till ett annat.

En låg kostnad, lågtemperaturmedel för att producera grafen kan också tillåta filmerna att hitta bredare applikationer på skärmar, solceller och organiska ljusemitterande dioder, där stora ark grafen skulle behövas.

"Det verkliga målet är att hitta sätt att göra grafen vid lägre temperaturer och på sätt som gör att vi kan integrera det med andra enheter, antingen kisel -CMOS eller andra material som inte tål de höga temperaturer som krävs för den initiala tillväxten, "Henderson sa." Vi tittar på sätt att göra grafen till ett användbart elektroniskt eller opto-elektroniskt material vid låga temperaturer och i mönstrade former. "