Illustration av en p-n-korsning i en heterostruktur gjord av orörda och kvävedopade ("glödande blå") grafen-nanoribbon-segment. Den branta förändringen i elektrostatisk potential över gränssnittsregionen förväntas leda till hög laddningsbärarseparationseffektivitet, som schematiskt illustreras av motsatt rörliga elektroner (röda) och hål (blå).
Grafen är en halvledare när den förbereds som ett ultrasmalt band – även om materialet faktiskt är ett ledande material. Forskare från Empa och Max Planck Institute for Polymer Research har nu utvecklat en ny metod för att selektivt dopa grafenmolekyler med kväveatomer. Genom att sömlöst stränga ihop dopade och odopade grafenbitar, de kunde bilda "heterojunctions" i nanobanden, därigenom uppfyller ett grundläggande krav för elektronisk ström att flöda i endast en riktning när spänning appliceras - det första steget mot en grafen transistor. Vidare, teamet har framgångsrikt lyckats ta bort grafen nanoband från guldsubstratet som de odlades på och överföra dem till ett icke-ledande material.
Grafen har många enastående egenskaper:det leder värme och elektricitet, det är transparent, hårdare än diamant och extremt stark. Men för att använda den för att konstruera elektroniska switchar, ett material måste inte bara vara en enastående ledare, den bör också kunna växla mellan "på" och "av" tillstånd. Detta kräver närvaron av ett så kallat bandgap, vilket gör att halvledare kan vara i ett isolerande tillstånd. Problemet, dock, är att bandgapet i grafen är extremt litet. Empa-forskare från laboratoriet "nanotech@surfaces" utvecklade alltså en metod för en tid sedan för att syntetisera en form av grafen med större bandgap genom att låta ultrasmala grafennanoband "växa" via molekylär självmontering.
Grafen nanorband gjorda av olika dopade segment
Forskarna, ledd av Roman Fasel, har nu uppnått en ny milstolpe genom att låta grafen nanoband bestående av olika dopade undersegment växa. Istället för att alltid använda samma "rena" kolmolekyler, de använde ytterligare dopade molekyler – molekyler försedda med "främmande atomer" i exakt definierade positioner, i detta fall kväve. Genom att stränga ihop "normala" segment med kvävedopade segment på en guldyta (Au (111)), så kallade heteroövergångar skapas mellan de enskilda segmenten. Forskarna har visat att dessa uppvisar liknande egenskaper som en klassisk p-n-korsning, d.v.s. en korsning med både positiva och negativa laddningar över olika regioner av halvledarkristallen, därigenom skapas den grundläggande strukturen som möjliggör utveckling av många komponenter som används i halvledarindustrin. En p-n-övergång gör att strömmen flödar i endast en riktning. På grund av den skarpa övergången vid heterojunction-gränssnittet, den nya strukturen tillåter också att elektron/hålpar effektivt separeras när en extern spänning appliceras, som teoretikerna på Empa och medarbetare vid Rensselaer Polytechnic Institute visat teoretiskt. Det senare har en direkt inverkan på solcellernas effektutbyte. Forskarna beskriver motsvarande heterojunctions i segmenterade grafen -nanoribbons i det nyligen publicerade numret av Naturens nanoteknik .
Överföring av grafen -nanoribbon till andra substrat
Heterostruktur av ett grafenband gjord av ett rent och ett kvävedopat (lysande blått) segment
Dessutom, forskarna har löst en annan nyckelfråga för integrationen av grafennanoteknik i konventionell halvledarindustri:hur överför man de ultrasmala grafenbanden till en annan yta? Så länge som grafennanorbanden finns kvar på ett metallsubstrat (som guld som används här) kan de inte användas som elektroniska omkopplare. Guld leder och skapar därmed en kortslutning som "saboterar" grafenbandets tilltalande halvledande egenskaper. Fasels team och kollegor vid Max-Planck-Institute for Polymer Research i Mainz har lyckats visa att grafen-nanorband kan överföras effektivt och intakta med en relativt enkel etsnings- och rengöringsprocess på (i princip) vilket substrat som helst, till exempel på safir, kalciumfluorid eller kiseloxid.
Grafen framträder alltså alltmer som ett intressant halvledarmaterial och ett välkommet tillskott till det allestädes närvarande kislet. De halvledande grafen-nanorbanden är särskilt attraktiva eftersom de tillåter mindre och därmed mer energieffektiva och snabbare elektroniska komponenter än kisel. Dock, den allmänna användningen av grafen -nanoribb inom elektroniksektorn förväntas inte inom en snar framtid, dels på grund av skalningsproblem och dels på svårigheten att ersätta väletablerad konventionell kiselbaserad elektronik. Fasel uppskattar att det fortfarande kan ta cirka 10 till 15 år innan den första elektroniska omkopplaren gjord av grafennanorband kan användas i en produkt.
Grafen nanorband för fotovoltaiska komponenter
Till skillnad från grafen, som visar en våglängdsoberoende absorbans för synligt ljus, ljusabsorption kan ökas enormt på ett kontrollerat sätt med grafen -nanoribbon. Detta uppnås genom att ställa in bredden på grafen nanobanden med atomär precision.
Solceller kan också en dag vara baserade på grafen. I en andra tidning publicerad i Naturkommunikation , Pascal Ruffieux - även från Empa "nanotech@surface" -laboratorium - och hans kollegor beskriver en möjlig användning av grafenremsor, till exempel i solceller. Ruffieux och hans team har märkt att särskilt smala grafen -nanoribb absorberar synligt ljus utomordentligt bra och därför är mycket lämpliga att använda som absorptionsskikt i organiska solceller. Jämfört med "normal" grafen, som absorberar ljus lika mycket vid alla våglängder, ljusabsorptionen i grafen nanoband kan ökas enormt på ett kontrollerat sätt, varvid forskare "ställer in" bredden på grafen-nanorbanden med atomär precision.
