(Phys.org)—Elektroner kan röra sig genom grafen nästan utan motstånd, en egenskap som ger grafen stor potential för att ersätta kisel i nästa generation, högeffektiva elektroniska apparater. Men för närvarande är det väldigt svårt att kontrollera elektronerna som rör sig genom grafen eftersom grafen inte har något bandgap, vilket innebär att elektronerna inte behöver passera någon energibarriär för att leda elektricitet. Som ett resultat, elektronerna är alltid ledande, hela tiden, vilket innebär att denna form av grafen inte kan användas för att bygga transistorer eftersom den inte har något "av"-tillstånd. För att kontrollera elektronrörelsen i grafen och möjliggöra "av"-tillstånd i framtida grafentransistorer, grafen behöver ett bandgap som inte är noll - en energibarriär som kan förhindra elektroner från att leda elektricitet när så önskas, gör grafen till en halvledare istället för en hel ledare.

I en ny studie, forskare har öppnat ett bandgap i grafen genom att noggrant dopa båda sidorna av tvåskiktsgrafen på ett sätt som undviker att skapa oordning i grafenstrukturen. Att försiktigt öppna upp ett bandgap i grafen på detta sätt gjorde det möjligt för forskarna att tillverka en grafenbaserad minnestransistor med det högsta initiala program/raderingsströmförhållandet som rapporterats hittills för en grafentransistor (34,5 jämfört med 4), tillsammans med det högsta på/av-förhållandet för en enhet av sitt slag (76,1 jämfört med 26), samtidigt som grafenens naturligt höga elektronrörlighet bibehålls (3100 cm ² /Mot).

Forskarna, ledd av professor Young Hee Lee vid Sungkyunkwan University och Institute for Basic Science i Suwon, Sydkorea, har publicerat sin artikel om den nya metoden för att öppna upp ett bandgap i grafen i ett färskt nummer av ACS Nano .

"Vi demonstrerade framgångsrikt en grafentransistor med ett högt på/av-förhållande och mobilitet med kemiska metoder och visade dess genomförbarhet som en minnesapplikation med ett avsevärt förbättrat program/raderingsströmförhållande, "första författare Si Young Lee, vid Institute for Basic Science och Harvard University, berättade Phys.org .

Deras metod är baserad på att applicera ett vertikalt elektriskt fält genom tvåskiktsgrafen, vilket har visat sig bryta symmetrin mellan de två grafenlagren. Denna modifiering skapar atomära platser med olika elektriska potentialer, vilket ger ett bandgap. Tidigare studier har också använt denna strategi, där det elektriska fältet genereras genom "dubbelsidig dopning" av motsatta sidor av dubbelskiktet med olika kemikalier. Dock, de tidigare resultaten har varit begränsade på grund av ineffektiva typer och nivåer av dopämnen, som har genererat relativt små elektriska fält och även har skadat den högordnade grafenstrukturen.

I den nya studien, forskarna visar att en nyckel till att förbättra dessa områden är valet av bensylviologen (BV) som ett elektrondonerande (n-typ) dopningsmedel i botten av tvåskiktsgrafenet. Översidan dopas sedan helt enkelt med syre och fukt från atmosfären, som fungerar som elektronbortdragande (p-typ) dopmedel. När BV-molekylerna donerar elektroner till det nedre grafenskiktet, de atmosfäriska dopämnena drar bort elektronerna från det översta grafenskiktet, genererar ett vertikalt elektriskt fält.

Eftersom ett starkare elektriskt fält inducerar ett större bandgap, forskarna kunde kontrollera bandgapet genom att använda högre koncentrationer av dopämnen. Alla dopämnen som används här absorberas på ytan av dubbelskiktsgrafenen utan att skada grafenstrukturen, vilket hjälper till att bibehålla grafenens höga elektronrörlighet och motsvarande höga "på"-ström.

För att demonstrera användbarheten av den band-gap-öppnade grafenen, forskarna tillverkade en transistor med minnesbeteende. Enheten programmeras och raderas genom att applicera en positiv och negativ spänning, respektive. Transistorns höga program/raderingsströmförhållande motsvarar en längre retentionstid. Dock, forskarna noterar att enheten fortfarande har utrymme för förbättringar. Till exempel, dess hastighet kan ökas. Också, att använda atmosfäriska molekyler som dopningsmedel är inte idealiskt för tillverkning i industriell skala på grund av låg stabilitet, så en mer hållbar p-dopingmetod kommer att behövas.

"Det är nödvändigt att utveckla mer stabila och effektiva dopningsmedel för högre prestanda för enheten, "Si Young Lee sa. "Dessutom, vår enhet kan realiseras på flexibla och transparenta substrat för framtida elektronik."

© 2015 Phys.org