I vad som kan visa sig vara ett betydande framsteg i tillverkningen av grafenbaserade nanoenheter, ett team av Berkeley Lab-forskare har upptäckt en ny mekanism för att montera tvådimensionella (2D) molekylära "öar" som kan användas för att modifiera grafen i nanometerskala. Dessa 2D-öar består av F4TCNQ-molekyler som fångar elektrisk laddning på sätt som är potentiellt användbara för grafenbaserad elektronik.

"Vi rapporterar en skanningstunnelmikroskopi och beröringsfri atomkraftmikroskopistudie av F4TCNQ-molekyler vid grafenytan där molekylerna smälter samman till 2D tätpackade öar, " säger Michael Crommie, en fysiker som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys fysikavdelning. "De resulterande öarna kan användas för att kontrollera laddningsbärardensiteten i grafensubstrat, samt att modifiera hur elektroner rör sig genom grafenbaserade enheter. De kan också användas för att bilda exakta mönster i nanoskala som uppvisar strukturell perfektion i atomär skala oöverträffad av konventionella tillverkningstekniker."

Crommie är en av fyra motsvarande författare till en artikel som beskriver denna forskning publicerad av ACS Nano . Uppsatsen har titeln "Molecular Self-Assembly in a Poorly Screened Environment:F4TCNQ on Graphene/BN." De andra motsvarande författarna är Steven Louie och Marvin Cohen, både med Berkeley Lab och UC Berkeley, och Jiong Lu från National University of Singapore. (Se nedan för en komplett lista över medförfattare)

Grafen är ett ark av rent kol bara en atom tjockt genom vilket elektroner hastighet 100 gånger snabbare än de rör sig genom kisel. Grafen är också smalare och starkare än kisel, vilket gör det till ett potentiellt superstjärnmaterial för elektronikindustrin. Dock, grafen måste vara elektriskt dopat för att ställa in antalet laddningsbärare som det innehåller för att vara användbart i enheter, och F4TCNQ har visat sig vara ett effektivt dopmedel för att omvandla grafen till en halvledare av "p-typ".

"F4TCNQ är känt för att extrahera elektroner från ett substrat, sålunda ändrar substratets laddningsbärardensitet, " säger Crommie. "Tidigare studier tittade på F4TCNQ adsorberad på grafen som stöds av ett metallsubstrat, vilket skapar en mycket avskärmad miljö. F4TCNQ adsorberad på grafen stödd av isolatorn bornitrid (BN) skapar en dåligt skärmad miljö. Vi fann att, till skillnad från metaller, F4TCNQ-molekyler på grafen/BN bildar 2D-öar genom en unik självmonteringsmekanism som drivs av de långväga Coulomb-interaktionerna mellan de laddade molekylerna. Negativt laddade molekyler smälter samman till en ö, öka den lokala arbetsfunktionen ovanför ön och få ytterligare elektroner att flöda in i ön. Dessa extra elektroner gör att den totala energin i grafenskiktet minskar, vilket resulterar i sammanhållning på ön."

Crommie och hans medförfattare tror att denna 2D-öbildningsmekanism också bör gälla för andra molekylära adsorbatsystem som uppvisar laddningsöverföring i dåligt skärmade miljöer, därigenom öppnas dörren för att justera egenskaperna hos grafenskikt för enhetsapplikationer.