Un primer plano, imagen tridimensional de un solo átomo de nitrógeno en una hoja de grafeno, un material hecho de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal. El átomo de nitrógeno más grande sobresale por encima de sus vecinos de carbono y aporta aproximadamente la mitad de su electrón extra a la red de grafeno. cambiando sus propiedades electrónicas. La imagen se obtuvo con un microscopio de efecto túnel. Imagen cortesía de Science / AAAS
(PhysOrg.com) - La fuerza, flexibilidad, La transparencia y la alta conductividad eléctrica del grafeno de una sola capa lo convierten en un material potencialmente único y valioso para la próxima generación de dispositivos electrónicos. Hecho de átomos de carbono dispuestos en un patrón de panal, piense en una cerca de alambre de gallinero, es 97 por ciento transparente y 1, 000 veces más fuerte que el acero.
Los investigadores están trabajando en formas de ajustar las propiedades del grafeno para aplicaciones electrónicas específicas. Una forma de hacerlo es dopando:introduciendo pequeñas cantidades de otros elementos, como nitrógeno o fósforo, que suman o restan electrones del sistema. Ampliamente utilizado en tecnología de silicio, el dopaje se ha realizado de forma experimental en láminas de grafeno monocapa; pero hasta ahora los detalles de cómo los átomos dopantes encajan en la hoja y se unen con sus vecinos de carbono siguen siendo esquivos.
En un estudio publicado el 9 de agosto en Ciencias , investigadores de la Universidad de Columbia, La Universidad de Sejong en Corea y los laboratorios nacionales SLAC y Brookhaven utilizaron una combinación de cuatro técnicas para hacer las primeras imágenes detalladas de una película de grafeno dopado con nitrógeno. Demostraron que los átomos de nitrógeno individuales habían ocupado el lugar de los átomos de carbono en la hoja bidimensional; que aproximadamente la mitad del electrón extra aportado por cada átomo de nitrógeno se distribuyó por toda la red de grafeno; y que esto cambió la estructura electrónica de la hoja de grafeno solo a una corta distancia, aproximadamente del ancho de dos átomos de carbono, de los átomos dopantes. La capacidad de controlar la estructura electrónica a nivel atómico tiene implicaciones importantes para ajustar las propiedades electrónicas únicas del grafeno para aplicaciones de dispositivos particulares.
“No estamos tratando de trabajar en sistemas existentes y mejorarlos. Buscamos nuevas direcciones que puedan permitir una eficiencia mucho mayor, ”Dijo la coautora del artículo Theanne Schiros, un científico de superficie en el Centro de Investigación de Fronteras Energéticas del Departamento de Energía en Columbia, que está investigando el grafeno como posible electrodo para nuevos dispositivos fotovoltaicos.
Esta imagen muestra un área de grafeno que se ha dopado con átomos de nitrógeno. Pequeñas manchas rojas muestran átomos individuales de nitrógeno que se han asentado en la red de grafeno; ya que son un poco más grandes que los átomos de carbono, sobresalen ligeramente por encima de él. Los puntos más grandes son grupos de átomos de nitrógeno. La imagen se obtuvo con un microscopio de efecto túnel. Imagen cortesía de Science / AAAS
“Ahora vemos que el dopaje es una estrategia que se puede aplicar al grafeno de forma limpia y sólida, "Ella dijo, proporcionando una forma potencial de crear películas de grafeno de alta calidad para su uso en aplicaciones electrónicas, incluidas las células solares.
Schiros no es ajeno a SLAC, habiendo hecho su Ph.D. trabajar aquí con Anders Nilsson. Su trabajo actual en Columbia se centra en el uso de rayos X de fuentes de luz de sincrotrón para sondear materiales novedosos para su uso en tecnologías de energía renovable.
Para este estudio, regresó a SLAC para trabajar con Dennis Nordlund, un científico del personal de la fuente de luz de radiación de sincrotrón de Stanford (SSRL) de SLAC, donde las actualizaciones recientes les permitieron escanear automáticamente muchas muestras de las películas de grafeno dopadas con nitrógeno a la vez.
El equipo de investigación cultivó las películas depositando vapor químico en una delgada hoja de papel de cobre.
Analizaron algunas muestras de película mientras estaba en la lámina de cobre, y transfirió otros al dióxido de silicio, el sustrato estándar para las mediciones de dispositivos, para las pruebas. Cada muestra se examinó con espectroscopía Raman y microscopía de túnel de barrido (STM) en Columbia, y con rayos X en el SSRL de SLAC, y la fuente de luz sincrotrón nacional de Brookhaven (NSLS).
Los espectros Raman mostraron que el dopante de nitrógeno había cambiado las propiedades electrónicas de la hoja de grafeno sin alterar su estructura básica. Las mediciones de rayos X en las líneas de luz SSRL 10-1 y 13-2 y la línea de luz NSLS U7A indicaron que los átomos de nitrógeno se encuentran dentro del plano de la hoja de grafeno y cada uno se había unido con tres vecinos de carbono; en otras palabras, cada átomo de nitrógeno había reemplazado a un carbono en la hoja.
Finalmente, las imágenes STM mostraron los átomos de nitrógeno como puntos brillantes en la superficie del grafeno. Contando esos puntos, los investigadores determinaron que la concentración de dopante de nitrógeno por átomo de carbono variaba de .23 a .35 por ciento. Las imágenes también revelaron que los átomos de nitrógeno sobresalían de la capa de grafeno aproximadamente .6 Ångstrom, como lo harían si hubieran sustituido el carbono en la red. Estos resultados fueron consistentes con las simulaciones de imágenes STM basadas en la teoría.
El autor principal del artículo fue el estudiante graduado de física de Columbia Liuyan Zhao, trabajando en el laboratorio de Abhay N. Pasupathy, y el trabajo se llevó a cabo en cooperación con el Energy Frontier Research Center en Columbia, que cuenta con SLAC y Stanford entre sus colaboradores.
