Juelich-fysiker har upptäckt oväntade effekter i dopad grafen - det vill säga grafen som är blandat med främmande atomer. De undersökte prover av kolföreningen berikad med den främmande atomen kväve på olika substratmaterial. Oönskade interaktioner med dessa substrat kan påverka grafens elektriska egenskaper. Forskarna vid Peter Gruenberg-institutet har nu visat att effektiv dopning beror på valet av substratmaterial. Forskarnas resultat publicerades i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Hårdare än diamant och segare än stål, lättvikt, transparent, flexibel, och extremt ledande:nätmaterialet grafen betraktas som framtidens material. Det kan göra datorer snabbare, mobiltelefoner mer flexibla, och pekskärmar tunnare. Men hittills, den industriella produktionen av kolgittret, som bara är en atom tjock, har visat sig vara problematiskt:i nästan alla fall, ett substrat krävs. Sökandet efter ett lämpligt material för detta ändamål är en av de stora utmaningarna på vägen mot praktiska tillämpningar eftersom om oönskade interaktioner inträffar, de kan få grafenet att förlora sina elektriska egenskaper.

Under några år, forskare har testat kiselkarbid - en kristallin förening av kisel och kol - för dess lämplighet som substratmaterial. När materialet värms upp till mer än 1400 grader Celsius i en argonatmosfär, grafen kan odlas på kristallen. Dock, denna "epitaxiala monolagergrafen" visar - mycket liten - interaktion med substratet, vilket begränsar dess elektronrörlighet.

För att kringgå detta problem, väte införs i gränsytan mellan de två materialen. Denna metod är känd som väteinterkalering. Bindningarna mellan grafenen och substratmaterialet separeras och mättas av väteatomerna. Detta undertrycker den elektroniska påverkan från kiselkristallen medan grafenen förblir mekaniskt sammanfogad med substratet:kvasi-fristående monolagergrafen.

Högprecisionsmätningar med stående röntgenstrålar

För praktiska tillämpningar, de elektriska egenskaperna hos grafen måste kunna modifieras - till exempel genom att införa ytterligare elektroner i materialet. Detta åstadkommes genom riktad "kontamination" av kolgittret med främmande atomer. För denna process, känd som doping, grafenen bombarderas med kvävejoner och glödgas sedan. Detta resulterar i defekter i gitterstrukturen:några få kolatomer - mindre än 1 % - separeras från gittret och ersätts med kväveatomer, som tar med sig ytterligare elektroner.

Forskare vid Juelichs Peter Gruenberg Institute - Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3) har nu, för första gången, studerat om och hur strukturen hos substratmaterialet påverkar denna dopningsprocess. Vid synkrotronstrålningskällan Diamond Light Source i Didcot, Oxfordshire, STORBRITANNIEN, Francois C. Bocquet och hans kollegor dopade prover av epitaxiell och nästan fristående monolagergrafen och undersökte dess strukturella och elektroniska egenskaper. Med hjälp av stående röntgenvågfält, de kunde skanna både grafen och substrat med en precision av några miljondelar av en mikrometer - mindre än en tiondel av en atoms radie.

Kväveatomer i gränsskiktet är också lämpliga för dopning

Deras resultat var överraskande. "Några av kväveatomerna diffunderade från grafenet in i kiselkarbiden, " förklarar Bocquet. "Man trodde tidigare att kvävebombardementet bara påverkade grafenet, men inte substratmaterialet."

Även om båda proverna behandlades på samma sätt, de uppvisade olika kvävekoncentrationer, men nästan identisk elektronisk dopning:inte alla kväveatomer var integrerade i grafengittret, ändå steg antalet elektroner i grafenet som om så vore fallet. Nyckeln till detta oväntade resultat ligger i det olika beteendet hos gränsskikten mellan grafen och substrat. För epitaxial grafen, ingenting förändrades:gränssnittslagret förblev stabilt, strukturen oförändrad. I den nästan fristående grafenen, dock, några av väteatomerna mellan grafen och substrat ersattes med kväveatomer. Enligt Bocquet:"Om du undersöker den nästan fristående grafenen, du hittar en kväveatom under grafenhöljet på vissa ställen. Dessa kväveatomer, även om de inte är en del av grafen, kan dopa gallret utan att förstöra det. Detta oförutsedda resultat är mycket lovande för framtida tillämpningar inom mikro- och nanoelektronik."