(Phys.org) —Graphene fortsätter att regera som nästa potentiella superstjärnmaterial för elektronikindustrin, en smalare, starkare och mycket snabbare elektronledare än kisel. Utan något naturligt energibandgap, dock, grafens supersnabba konduktans kan inte stängas av, en allvarlig nackdel för transistorer och andra elektroniska enheter. Olika tekniker har använts för att övervinna detta problem med en av de mest lovande är integrationen av ultratunna lager av grafen och bornitrid i tvådimensionella heterostrukturer. Som dirigenter, dessa dubbelskiktshybrider är nästan lika snabba som ren grafen, plus att de är väl lämpade för tillverkning av enheter. Dock, att skräddarsy de elektroniska egenskaperna hos grafenbornitrid (GBN) heterostrukturer har varit en knepig affär, med kemisk dopning eller elektrostatisk gating – fram till nu.

Forskare vid Berkeley Lab och University of California (UC) Berkeley har demonstrerat en teknik där de elektroniska egenskaperna hos GBN-heterostrukturer kan modifieras med synligt ljus. Feng Wang, en fysiker för kondenserad materia med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys fysikavdelning, samt en utredare för Kavli Energy NanoSciences Institute i Berkeley, ledde en studie där fotoinducerad dopning av GBN-heterostrukturer användes för att skapa p–n-övergångar och andra användbara dopningsprofiler samtidigt som materialets anmärkningsvärt höga elektronrörlighet bevarades.

"Vi har visat att synligt ljus kan inducera en robust skrivning och radering av laddningsdopning i GBN-heterostrukturer utan att offra hög bärarmobilitet, " Wang säger. "Användningen av synligt ljus ger oss otrolig flexibilitet och, till skillnad från elektrostatisk gating och kemisk dopning, kräver inte flerstegs tillverkningsprocesser som minskar provkvaliteten. Dessutom, olika mönster kan förmedlas och raderas efter behag, vilket inte var möjligt med dopningstekniker som tidigare använts på GBN-heterostrukturer."

Grafen är ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. Bornitrid är en skiktad förening som har ett liknande hexagonalt gitter - i själva verket kallas hexagonal bornitrid ibland som "vit grafen." Sammanbundet av den relativt svaga intermolekylära attraktionen känd som van der Waals-kraften, GBN-heterostrukturer har visat stor potential att fungera som plattformar inte bara för transistorer med hög elektronmobilitet, men också för optoelektroniska tillämpningar, inklusive fotodetektorer och fotovoltaiska celler. Nyckeln till framtida framgång kommer att vara förmågan att dopa dessa material på ett kommersiellt skalbart sätt. Den fotoinducerade moduleringsdopningstekniken som utvecklats av Wang och ett stort team av medarbetare uppfyller detta krav eftersom det är jämförbart med fotolitografischeman som idag används allmänt för massproduktion inom halvledarindustrin. Belysning av en GBN-heterostruktur även med bara en glödlampa kan modifiera elektrontransporten i grafenskiktet genom att inducera en positiv laddningsfördelning i bornitridskiktet som fixeras när belysningen stängs av.

"Vi har visat att denna fotoinducerade dopning uppstår från mikroskopiskt kopplade optiska och elektriska svar i GBN-heterostrukturerna, inklusive optisk excitation av defektövergångar i bornitrid, elektrisk transport i grafen, och laddningsöverföring mellan bornitrid och grafen, " Wang säger. "Detta är analogt med moduleringsdopningen som först utvecklades för högkvalitativa halvledare."

Medan den fotoinducerade moduleringsdopningen av GBN-heterostrukturer bara varade några dagar om provet hölls i mörker - ytterligare exponering för ljus raderade effekten - detta är inte ett problem som Wang förklarar.

"Några dagar av moduleringsdopning är tillräckligt för många vägar av vetenskaplig undersökning, och för vissa enhetsapplikationer, den omskrivbarhet vi kan tillhandahålla behövs mer än långsiktig stabilitet, " säger han. "För tillfället, vad vi har är en enkel teknik för inhomogen dopning i ett högrörligt grafenmaterial som öppnar dörren till nya vetenskapliga studier och tillämpningar."