Muestra obtenida con ARPES:los científicos de PGI-3 utilizaron espectroscopía de fotoelectrones de resolución angular (ARPES) para determinar el grado de dopaje en las muestras de grafeno. Para este método, las muestras se irradian con luz ultravioleta para separar electrones de los materiales. Entonces se pueden detectar los electrones. La energía de enlace original de los electrones desprendidos determina la velocidad a la que golpean el detector. De este modo, los científicos pudieron reconstruir la estructura de bandas del grafeno. Crédito:Forschungszentrum Juelich
Los físicos de Juelich han descubierto efectos inesperados en el grafeno dopado, es decir, el grafeno mezclado con átomos extraños. Investigaron muestras del compuesto de carbono enriquecidas con nitrógeno del átomo extraño en varios materiales de sustrato. Las interacciones no deseadas con estos sustratos pueden influir en las propiedades eléctricas del grafeno. Los investigadores del Instituto Peter Gruenberg han demostrado ahora que el dopaje eficaz depende de la elección del material de sustrato. Los resultados de los científicos fueron publicados en la revista Cartas de revisión física .
Más duro que el diamante y más duro que el acero, peso ligero transparente, flexible, y extremadamente conductor:el grafeno, material de malla, se considera el material del futuro. Podría hacer que las computadoras sean más rápidas teléfonos móviles más flexibles, y pantallas táctiles más delgadas. Pero hasta ahora, la producción industrial de la celosía de carbono, que tiene un solo átomo de espesor, ha demostrado ser problemático:en casi todos los casos, se requiere un sustrato. La búsqueda de un material adecuado para este propósito es uno de los mayores desafíos en el camino hacia aplicaciones prácticas porque si ocurren interacciones indeseables, pueden hacer que el grafeno pierda sus propiedades eléctricas.
Durante algunos años, Los científicos han estado probando el carburo de silicio, un compuesto cristalino de silicio y carbono, para determinar su idoneidad como material de sustrato. Cuando el material se calienta a más de 1400 grados Celsius en una atmósfera de argón, el grafeno se puede cultivar en el cristal. Sin embargo, este 'grafeno monocapa epitaxial' muestra una interacción muy leve con el sustrato, lo que limita su movilidad de electrones.
Vista lateral de las estructuras de celosía de grafeno monocapa epitaxial (EMLG) y grafeno monocapa casi independiente (QFMLG), antes (izquierda) y después (derecha) del dopaje con nitrógeno. La escala de la derecha muestra el grosor de las muestras en ångström, donde el punto cero marca la interfaz entre el sustrato y la capa de grafeno. Después del dopaje, la muestra de EMLG contiene átomos de nitrógeno solo en el grafeno, mientras que la muestra QFMLG también exhibe nitrógeno en la capa de interfaz. Crédito:Forschungszentrum Jülich
Para evitar este problema, se introduce hidrógeno en la interfaz entre los dos materiales. Este método se conoce como intercalación de hidrógeno. Los enlaces entre el grafeno y el material del sustrato están separados y saturados por los átomos de hidrógeno. Esto suprime la influencia electrónica del cristal de silicio, mientras que el grafeno permanece unido mecánicamente con el sustrato:grafeno monocapa casi independiente.
Mediciones de alta precisión con radiografías de pie
Para aplicaciones prácticas, las propiedades eléctricas del grafeno deben ser modificables, por ejemplo, introduciendo electrones adicionales en el material. Esto se logra mediante la "contaminación" dirigida de la red de carbono con átomos extraños. Para este proceso, conocido como dopaje, el grafeno se bombardea con iones de nitrógeno y luego se templa. Esto da como resultado defectos en la estructura de la red:algunos pocos átomos de carbono (menos del 1%) se separan de la red y son reemplazados por átomos de nitrógeno. que traen electrones adicionales.
Los científicos del Instituto Peter Gruenberg de Juelich - Nanoestructuras funcionales en superficies (PGI-3) tienen ahora, por primera vez, estudió si y cómo la estructura del material del sustrato influye en este proceso de dopaje. En la fuente de radiación de sincrotrón Diamond Light Source en Didcot, Oxfordshire, REINO UNIDO, Francois C. Bocquet y sus colegas doparon muestras de grafeno monocapa epitaxial y cuasi independiente e investigaron sus propiedades estructurales y electrónicas. Por medio de campos de ondas de rayos X estacionarios, pudieron escanear tanto el grafeno como el sustrato con una precisión de unas millonésimas de micrómetro, menos de una décima parte del radio de un átomo.
Los átomos de nitrógeno en la capa de interfaz también son adecuados para el dopaje.
Sus hallazgos fueron sorprendentes. "Algunos de los átomos de nitrógeno se difundieron desde el grafeno al carburo de silicio, "explica Bocquet." Anteriormente se creía que el bombardeo de nitrógeno solo afectaba al grafeno, pero no el material del sustrato ".
Aunque ambas muestras fueron tratadas de la misma forma, exhibieron diferentes concentraciones de nitrógeno, pero dopaje electrónico casi idéntico:no todos los átomos de nitrógeno estaban integrados en la red de grafeno, sin embargo, el número de electrones en el grafeno aumentó como si este fuera el caso. La clave de este resultado inesperado radica en el diferente comportamiento de las capas de interfaz entre el grafeno y el sustrato. Para el grafeno epitaxial, nada cambió:la capa de interfaz se mantuvo estable, la estructura sin cambios. En el grafeno cuasi independiente, sin embargo, algunos de los átomos de hidrógeno entre el grafeno y el sustrato fueron reemplazados por átomos de nitrógeno. Según Bocquet:"Si examina el grafeno cuasi independiente, encontrará un átomo de nitrógeno debajo de la capa de grafeno en algunos lugares. Estos átomos de nitrógeno, aunque no forman parte del grafeno, Puede dopar la celosía sin destruirla. Este resultado imprevisto es muy prometedor para futuras aplicaciones en micro y nanoelectrónica ".
