Los investigadores están creando uniones p-n de grafeno transfiriendo películas del material electrónico a sustratos que han sido modelados por compuestos que son fuertes donantes de electrones o aceptores de electrones.

Las propiedades electrónicas de las películas de grafeno se ven afectadas directamente por las características de los sustratos sobre los que se cultivan o a los que se transfieren. Los investigadores están aprovechando esto para crear uniones p-n de grafeno transfiriendo películas del material electrónico prometedor a sustratos que han sido modelados por compuestos que son fuertes donantes de electrones o aceptores de electrones.

Una temperatura baja, Se ha desarrollado un método controlable y estable para dopar películas de grafeno utilizando monocapas autoensambladas (SAM) que modifican la interfaz del grafeno y su sustrato de soporte. Usando este concepto, Un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia ha creado uniones p-n de grafeno, que son esenciales para la fabricación de dispositivos, sin dañar la estructura reticular del material ni reducir significativamente la movilidad de electrones / huecos.

El grafeno se cultivó en una película de cobre utilizando deposición química de vapor (CVD), un proceso que permite la síntesis de películas a gran escala y su transferencia a sustratos deseados para aplicaciones de dispositivos. Las películas de grafeno se transfirieron a sustratos de dióxido de silicio que se funcionalizaron con las monocapas autoensambladas.

El 28 de noviembre se presentó información sobre la creación de uniones p-n de grafeno utilizando monocapas autoensambladas. 2012 en la reunión de otoño de la Materials Research Society. Los artículos que describen aspectos del trabajo también se publicaron en septiembre de 2012 en las revistas ACS Materiales e interfaces aplicados y el Revista de química física C . La financiación de la investigación provino de la National Science Foundation, a través del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de Georgia Tech (MRSEC) y mediante subvenciones de investigación independientes.

"Hemos tenido éxito al demostrar que se puede producir grafeno de tipo p y tipo n bastante bien dopado de forma controlable modelando la monocapa subyacente en lugar de modificar el grafeno directamente. "dijo Clifford Henderson, profesor de la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Poner grafeno encima de monocapas autoensambladas utiliza el efecto de la donación de electrones o la extracción de electrones de debajo del grafeno para modificar las propiedades electrónicas del material".

El equipo de investigación de Georgia Tech que trabaja en el proyecto incluye miembros de la facultad, becarios postdoctorales y estudiantes graduados de tres escuelas diferentes. Además de Henderson, Los profesores que forman parte del equipo incluyen a Laren Tolbert de la Escuela de Química y Bioquímica y Samuel Graham de la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff. El equipo del proyecto también incluye a Hossein Sojoudi, un becario postdoctoral, y Jose Baltazar, un asistente de investigación graduado.

La creación de dopaje de tipo ny tipo p en grafeno, que no tiene una banda prohibida natural, ha llevado al desarrollo de varios enfoques. Los científicos han sustituido átomos de nitrógeno por algunos de los átomos de carbono en la red de grafeno, Se han aplicado compuestos a la superficie del grafeno, y se han modificado los bordes de las nanocintas de grafeno. Sin embargo, la mayoría de estas técnicas tienen desventajas, incluida la interrupción de la red, que reduce la movilidad de los electrones, y problemas de estabilidad a largo plazo.

"Cada vez que pones grafeno en contacto con un sustrato de cualquier tipo, el material tiene una tendencia inherente a cambiar sus propiedades eléctricas, ", Dijo Henderson." Nos preguntamos si podríamos hacer eso de una manera controlada y usarlo a nuestro favor para hacer que el material sea predominantemente de tipo n o tipo p. Esto podría crear un efecto de dopaje sin introducir defectos que interrumpirían la atractiva movilidad de los electrones del material ".

Utilizando técnicas de litografía convencionales, los investigadores crearon patrones a partir de diferentes materiales de silano sobre un sustrato dieléctrico, generalmente óxido de silicio. Los materiales se eligieron porque son fuertes donantes de electrones o aceptores de electrones. Cuando se coloca una fina película de grafeno sobre los patrones, los materiales subyacentes crean secciones cargadas en el grafeno que corresponden al patrón.

"Pudimos dopar el grafeno en materiales de tipo ny tipo p mediante una donación de electrones o un efecto de retirada de la monocapa, "Explicó Henderson." Eso no conduce a los defectos de sustitución que se ven con muchos de los otros procesos de dopaje. La estructura del grafeno en sí sigue siendo prístina, ya que nos llega en el proceso de transferencia ".

Las monocapas están unidas al sustrato dieléctrico y son térmicamente estables hasta 200 grados Celsius con la película de grafeno sobre ellas. Sojoudi señaló. El equipo de Georgia Tech ha utilizado 3-aminopropiltrietoxisilano (APTES) y perfluorooctiltrietoxisilano (PFES) para modelar. En principio, sin embargo, Hay muchos otros materiales disponibles comercialmente que también podrían crear los patrones.

"Puede crear tantas regiones de tipo ny tipo p como desee, "Dijo Sojoudi." Incluso puedes subir y bajar el dopaje de forma controlable. Esta técnica le da control sobre el nivel de dopaje y cuál es el portador dominante en cada región ".

Los investigadores utilizaron su técnica para fabricar uniones p-n de grafeno, lo cual fue verificado por la creación de transistores de efecto de campo (FET). Las curvas características I-V indicaron la presencia de dos puntos de Dirac separados, que indicó una separación de energía de los puntos de neutralidad entre las regiones p y n en el grafeno, Dijo Sojoudi.

El grupo utiliza la deposición de vapor químico para crear películas delgadas de grafeno sobre láminas de cobre. Una película gruesa de PMMA se revistió por rotación sobre el grafeno, y luego se eliminó el cobre subyacente. El polímero sirve como portador del grafeno hasta que se puede colocar sobre el sustrato recubierto de monocapa. después de lo cual se quita.

Más allá de desarrollar las técnicas de dopaje, El equipo también está explorando nuevos materiales precursores que podrían permitir la producción de grafeno por CVD a temperaturas lo suficientemente bajas como para permitir la fabricación directamente en otros dispositivos. Eso podría eliminar la necesidad de transferir el grafeno de un sustrato a otro.

Un bajo costo, Los medios de producción de grafeno a baja temperatura también podrían permitir que las películas encuentren aplicaciones más amplias en pantallas, células solares y diodos emisores de luz orgánicos, donde se necesitarían grandes hojas de grafeno.

"El objetivo real es encontrar formas de producir grafeno a temperaturas más bajas y de formas que nos permitan integrarlo con otros dispositivos, ya sea CMOS de silicio u otros materiales que no pudieran tolerar las altas temperaturas requeridas para el crecimiento inicial, ", Dijo Henderson." Estamos buscando formas de convertir el grafeno en un material electrónico u optoelectrónico útil a bajas temperaturas y en formas estampadas ".