(Phys.org) - Investigadores que utilizan rayos X para estudiar una capa de carbono de un solo átomo de espesor, llamado grafeno, han aprendido nueva información sobre sus enlaces atómicos y propiedades electrónicas cuando el material está "dopado" con átomos de nitrógeno. Demuestran que las técnicas de rayos X de sincrotrón pueden ser herramientas excelentes para estudiar y comprender mejor el comportamiento del grafeno dopado. que se está considerando para su uso como material de contacto prometedor en dispositivos electrónicos debido a sus muchas características deseables, incluyendo una alta conductividad y, más destacado, propiedades electrónicas ajustables.

Dopaje de grafeno con pequeñas cantidades de otro elemento, como nitrógeno o boro, lo convierte en un material "tipo n" (que tiene un exceso de portadores de carga negativa, es decir, electrones) o un material "tipo p" (que tiene un exceso de portadores de carga positiva, es decir, vacantes de electrones llamadas "huecos"). De este modo, el dopaje permite a los científicos "ajustar" sus propiedades, incluidos los tipos de enlaces entre los átomos y cómo se distribuyen los portadores de carga. Este tipo de control es clave a la hora de desarrollar un material con aplicaciones específicas en mente. Un ejemplo similar es el dopaje de silicio utilizado en energía fotovoltaica basada en silicio; Por supuesto, El grafeno dopado está siendo examinado por su uso potencial como material de contacto en células solares (entre sus muchas cualidades adecuadas para tal función está su transparencia a la luz visible, una característica necesaria para un contacto eléctrico de celda solar).

En este trabajo, los investigadores descubrieron que pueden estar presentes varios tipos de enlaces entre los átomos de carbono y nitrógeno, incluso dentro de la misma hoja de grafeno. Esto da como resultado efectos profundamente diferentes en la concentración del portador de carga en la hoja, que no es ideal.

"Nuestros hallazgos indican que el control de los tipos de enlaces en el grafeno dopado químicamente será una parte crucial de adaptar sus propiedades para una aplicación en particular y avanzar en la electrónica basada en grafeno en general, "dijo Theanne Schiros, el científico correspondiente del estudio, quien es investigador del Energy Frontier Research Center de la Universidad de Columbia. También es la autora principal del artículo publicado correspondiente en Nano letras .

Los coautores del artículo incluyen colegas de la Universidad de Columbia y de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), Instituto CNR-Nanociencia (Italia), Universidad de Sejong (Corea), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, Universidad de Estocolmo (Suecia), y el Laboratorio Nacional de Brookhaven.

Los datos de rayos X del grupo muestran que si bien es posible crear grafeno de tipo n, en el que un solo átomo de nitrógeno sustituye a un solo átomo de carbono, llamado enlace grafítico:se pueden observar hasta tres tipos de enlaces en una sola hoja, según las condiciones de procesamiento y crecimiento. Estos corresponden a las tres formas en que un átomo de nitrógeno y un átomo de carbono pueden compartir electrones.

Los efectos de cada tipo en la estructura electrónica del grafeno son bastante diferentes. Por ejemplo, átomos de nitrógeno que forman un enlace "grafítico" con átomos de carbono, lo que significa que el nitrógeno y el carbono comparten dos electrones, tienden a aumentar el número de portadores de carga en el material. Enlaces "piridínicos" y "nitrílicos", por otra parte, tienden a retirar los portadores de carga de la red de carbono.

En la línea de luz NSLS U7A y las líneas de luz SSRL 10-1 y 13-2, Schiros y su grupo emplearon tres técnicas de rayos X para estudiar sus muestras de grafeno:espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), y espectroscopia de emisión de rayos X (XES). Cada uno funciona aprovechando una forma en que los rayos X pueden interactuar con una muestra, por lo tanto, cada uno proporciona información única sobre esa muestra.

XPS mide el número y las energías de los electrones que escapan de la superficie de una muestra cuando se ilumina con rayos X, y por lo tanto proporciona información sobre la concentración elemental y las energías de unión, que reflejan el entorno de enlace químico local. XAS proporciona información directa sobre el tipo de enlace entre los átomos de nitrógeno y carbono, la orientación de ese vínculo, y los orbitales moleculares desocupados formados entre los átomos dopantes y hospedantes. XES proporciona complementario, información específica del átomo sobre los niveles de energía de los electrones ocupados cerca del "nivel de Fermi, "que juega un papel clave en el comportamiento electrónico del grafeno.

Cuando se combina con cálculos teóricos, las tres técnicas dan una imagen clara del papel de los dopantes en el comportamiento electrónico del grafeno.

Esta investigación se publica en el 29 de junio de 2012, edición en línea de Nano letras .