Enheten du för närvarande läser den här artikeln om föddes från kiselrevolutionen. För att bygga moderna elektriska kretsar styr forskare kiselns strömledande förmåga via dopning, vilket är en process som introducerar antingen negativt laddade elektroner eller positivt laddade "hål" där elektroner brukade vara. Detta gör att flödet av elektricitet kan kontrolleras och för kisel innebär det att injicera andra atomära element som kan justera elektroner – så kallade dopämnen – i dess tredimensionella (3D) atomnät.

Silicons 3D-gitter är dock för stort för nästa generations elektronik, som inkluderar ultratunna transistorer, nya enheter för optisk kommunikation och flexibla biosensorer som kan bäras eller implanteras i människokroppen. För att banta saker experimenterar forskare med material som inte är tjockare än ett enda ark av atomer, som grafen. Men den beprövade metoden för dopning av 3D-kisel fungerar inte med 2D-grafen, som består av ett enda lager av kolatomer som normalt inte leder en ström.

Istället för att injicera dopingmedel har forskare försökt lägga på ett "laddningsöverföringslager" som är avsett att lägga till eller dra bort elektroner från grafenet. Tidigare metoder använde emellertid "smutsiga" material i sina laddningsöverföringsskikt; föroreningar i dessa skulle lämna grafenen ojämnt dopad och hindra dess förmåga att leda elektricitet.

Nu, en ny studie i Nature Electronics föreslår ett bättre sätt. Ett tvärvetenskapligt team av forskare, ledda av James Hone och James Teherani vid Columbia University, och Won Jong Yoo vid Sungkyungkwan University i Korea, beskriver en ren teknik för att dopa grafen via ett laddningsöverföringsskikt tillverkat av lågföroreningsvolframoxyselenid (TOS) .

Teamet genererade det nya "rena" lagret genom att oxidera ett enda atomlager av ett annat 2D-material, volframselenid. När TOS skiktades ovanpå grafen fann de att det lämnade grafenet fyllt av elektricitetsledande hål. Dessa hål kan finjusteras för att bättre kontrollera materialens elektricitetsledande egenskaper genom att lägga till några atomlager av volframselenid mellan TOS och grafen.

Forskarna fann att grafens elektriska rörlighet, eller hur lätt laddningar rör sig genom den, var högre med sin nya dopningsmetod än tidigare försök. Att lägga till volframseleniddistanser ökade rörligheten ytterligare till den punkt där effekten av TOS blir försumbar, vilket gör att rörligheten bestäms av grafenens inneboende egenskaper. Denna kombination av hög dopning och hög rörlighet ger grafen större elektrisk ledningsförmåga än hos högledande metaller som koppar och guld.

När det dopade grafenet blev bättre på att leda elektricitet blev det också mer transparent, sa forskarna. Detta beror på Pauli-blockering, ett fenomen där laddningar manipulerade genom dopning blockerar materialet från att absorbera ljus. Vid de infraröda våglängder som används inom telekommunikation blev grafenet mer än 99 procent transparent. Att uppnå en hög grad av transparens och konduktivitet är avgörande för att flytta information genom ljusbaserade fotoniska enheter. Om för mycket ljus absorberas går information förlorad. Teamet fann en mycket mindre förlust för TOS-dopad grafen än för andra ledare, vilket tyder på att denna metod kan ha potential för nästa generations ultraeffektiva fotoniska enheter.

"Detta är ett nytt sätt att skräddarsy egenskaperna hos grafen på begäran," sa Hone. "Vi har precis börjat utforska möjligheterna med denna nya teknik."

En lovande riktning är att förändra grafenens elektroniska och optiska egenskaper genom att ändra mönstret för TOS, och att sätta in elektriska kretsar direkt på grafenen själv. Teamet arbetar också med att integrera det dopade materialet i nya fotoniska enheter, med potentiella tillämpningar inom transparent elektronik, telekommunikationssystem och kvantdatorer. + Utforska vidare

Stretching ändrar grafenens elektroniska egenskaper