Ett tvärvetenskapligt team av forskare vid U.S. Naval Research Laboratory (NRL), Electronics Science and Technology and Materials Science and Technology Divisioner, har visat hypertermisk jonimplantation (HyTII) som ett effektivt sätt att substitutionellt dopa grafen - ett hexagonalt arrangerat kolark med en atomtjocklek - med kväveatomer. Resultatet är en film med låg defekt med en avstämbar bandstruktur som är tillgänglig för en mängd olika enhetsplattformar och applikationer.

Forskningen visar att HyTII-metoden ger en hög grad av kontroll inklusive dopningskoncentration och, för första gången, demonstrerar djupkontroll av implantation genom att dopa ett enda monolager av grafen i en tvålagers grafenstack. Detta visar ytterligare att de resulterande filmerna har högkvalitativa elektroniska transportegenskaper som kan beskrivas enbart av förändringar i bandstrukturen snarare än det defektdominerade beteendet hos grafenfilmer som dopats eller funktionaliserats med andra metoder.

"Sedan upptäckten att ett enda atomlager av sp2-bundna kolatomer, kallas grafen, kan isoleras från bulkgrafit, en uppsjö av anmärkningsvärda elektroniska och spintroniska egenskaper har uppstått, " sa Dr Cory Cress, materialforskningsingenjör, NRL. "Dock, få ansökningar kommer eftersom grafen saknar bandgap och dess doping är svår att kontrollera, vilket gör grafenenheter endast konkurrenskraftiga för högspecialiserad enhetsteknologi."

Doping eller kemisk funktionalisering kan lägga till en användbar transportlucka. Dock, dessa metoder tenderar att producera filmer som plågas av oavsiktliga defekter, har låg stabilitet, eller ojämn täckning av dopämnen och funktionella grupper, som alla avsevärt begränsar deras användbarhet och försämrar de inneboende önskvärda egenskaperna hos grafenfilmen.

Som ett alternativ, NRL-forskare utnyttjade sin bakgrund med strålningseffekter för att utveckla ett hypertermiskt jonimplantationssystem med nödvändig precision och kontroll för att implantera kväve (N+) i grafen för att uppnå dopning via direkt substitution.

"Efter många månaders utveckling av systemet, teknikens genomförbarhet berodde verkligen på det första experimentet, " sa Cress. "I vår studie, vi bestämde intervallet för hypertermiska jonenergier som gav den högsta andelen kvävedopning, samtidigt som man minimerar defekter, och vi lyckades bekräfta den inneboende djupkontrollen av HyTII-processen."

För att uppnå det senare, forskarna implementerade ett tvålagers grafenmaterialsystem bestående av ett lager av naturlig grafen, med mestadels kol-12 (12C) atomer, skiktad på grafen syntetiserad med mer än 99 procent kol-13 (13C). Detta dubbelskiktsmaterial gav ett sätt att identifiera vilket lager de modifierade när de analyserades med Raman-spektroskopi.

Enheter gjorda av filmer bearbetade med N+ inom området för optimal dopning visar en övergång från stark till svag lokalisering som beror på implantationsdosen, indikerar det implanterade kvävets förmåga att förändra filmens inneboende egenskaper. Som ytterligare bevisas av den höga elektroniska kvaliteten hos de implanterade enheterna jämfört med liknande adatomdopade enheter, forskarna fann att temperaturberoendet kan anpassas av en modell som tar hänsyn till både bandeffekter på grund av substitutionsdopningen och isolatorliknande effekter på grund av defektbildning, med de bandeffekter som observerats vara den dominerande komponenten.

Förvånande, forskarna fann att en högre mängd kvävedopning förhindrar övergången till isolerande beteende nära laddningsneutralitetspunkten. Defekter verkar dominera beteendet endast vid stora implantationsenergier, där defekter är mer sannolika, ytterligare demonstrerar skillnaderna mellan äkta dopade filmer och tidigare defekta/dopade filmer.

"Våra mätningar av dessa enheter tyder starkt på att vi äntligen har tillverkat en grafenfilm med ett inställbart bandgap, låg defektdensitet, och hög stabilitet, " förklarar Dr. Adam L. Friedman, forskningsfysiker, NRL. "Vi antar därför att HyTII-grafenfilmer har stor potential för elektroniska eller spintroniska tillämpningar för högkvalitativt grafen där ett transport- eller bandgap och hög bärarkoncentration önskas."