Un equipo interdisciplinario de científicos del Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL), Divisiones de Ciencia y Tecnología Electrónica y Ciencia y Tecnología de Materiales, ha demostrado que la implantación de iones hipertérmicos (HyTII) es un medio eficaz de dopaje sustitutivo del grafeno (una hoja de carbono de un solo espesor atómico dispuesta hexagonalmente) con átomos de nitrógeno. El resultado es una película con pocos defectos con una estructura de bandas sintonizable que se adapta a una variedad de plataformas y aplicaciones de dispositivos.

La investigación muestra que el método HyTII ofrece un alto grado de control, incluida la concentración de dopaje y, por primera vez, demuestra el control de la profundidad de la implantación dopando una sola monocapa de grafeno en una pila de grafeno bicapa. Esto demuestra además que las películas resultantes tienen propiedades de transporte electrónico de alta calidad que pueden describirse únicamente mediante cambios en la estructura de bandas en lugar del comportamiento dominado por defectos de las películas de grafeno dopadas o funcionalizadas utilizando otros métodos.

"Desde el descubrimiento de que una sola capa atómica de átomos de carbono unidos sp2, llamado grafeno, podría aislarse del grafito a granel, ha surgido una plétora de notables propiedades electrónicas y espintrónicas, "dijo el Dr. Cory Cress, ingeniero de investigación de materiales, NRL. "Sin embargo, Hay pocas aplicaciones próximas porque el grafeno carece de banda prohibida y su dopaje es difícil de controlar. haciendo que los dispositivos de grafeno sean competitivos solo para tecnologías de dispositivos altamente especializadas ".

El dopaje o la funcionalización química pueden agregar una brecha de transporte utilizable. Sin embargo, estos métodos tienden a producir películas que están plagadas de defectos no intencionales, tener baja estabilidad, o cobertura no uniforme de dopantes y grupos funcionales, que limitan en gran medida su utilidad y degradan las propiedades intrínsecas deseables de la película de grafeno.

Como alternativa, Los científicos de NRL aprovecharon su experiencia en efectos de radiación para desarrollar un sistema de implantación de iones hipertérmicos con la precisión y el control necesarios para implantar nitrógeno (N +) en el grafeno y lograr el dopaje mediante sustitución directa.

"Después de muchos meses de desarrollar el sistema, la viabilidad de la técnica realmente dependía del primer experimento, ", Dijo Cress." En nuestro estudio, determinamos el rango de energías de iones hipertérmicos que produjeron la fracción más alta de dopaje con nitrógeno, minimizando los defectos, y logramos confirmar el control de profundidad inherente del proceso HyTII ".

Para lograr lo último, los científicos implementaron un sistema de material de grafeno bicapa que comprende una capa de grafeno natural, con principalmente átomos de carbono-12 (12C), en capas sobre grafeno sintetizado con más del 99 por ciento de carbono-13 (13C). Este material bicapa proporcionó un medio para identificar qué capa estaban modificando cuando se analizó con espectroscopía Raman.

Los dispositivos fabricados con películas procesadas con N + en el rango de dopaje óptimo muestran una transición de una localización fuerte a una débil que depende de la dosis de implantación. indicando la capacidad del nitrógeno implantado para alterar las propiedades intrínsecas de la película. Como lo demuestra además la alta calidad electrónica de los dispositivos implantados en comparación con dispositivos similares dopados con adatom, Los científicos descubrieron que la dependencia de la temperatura puede ajustarse mediante un modelo que tiene en cuenta los efectos de banda debidos al dopaje sustitutivo y los efectos de tipo aislante debidos a la formación de defectos. con los efectos de banda observados como el componente dominante.

Asombrosamente, Los investigadores encontraron que una mayor cantidad de dopaje con nitrógeno evita el cruce al comportamiento aislante cerca del punto de neutralidad de carga. Los defectos parecen dominar el comportamiento solo en grandes energías de implantación, donde los defectos son más probables, demostrando aún más las diferencias entre las películas dopadas con verdadero y las películas defectuosas / dopadas anteriores.

"Nuestras mediciones de estos dispositivos indican claramente que finalmente hemos fabricado una película de grafeno con una banda prohibida sintonizable, baja densidad de defectos, y alta estabilidad, "explica el Dr. Adam L. Friedman, físico investigador, NRL. "Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que las películas de grafeno HyTII tienen un gran potencial para aplicaciones electrónicas o espintrónicas para grafeno de alta calidad donde se desea un transporte o banda prohibida y una alta concentración de portadores".