Negli ultimi anni, ingegneri elettronici e chimici hanno ideato diverse tecniche di drogaggio chimico per controllare il segno e la concentrazione dei portatori di carica in diversi campioni di materiale. I metodi di drogaggio chimico implicano essenzialmente l'introduzione di impurità in materiali o sostanze per modificarne le proprietà elettriche.

Questi metodi promettenti sono stati applicati con successo su diversi materiali, inclusi quelli di van der Waals (vdW). I materiali VdW sono strutture caratterizzate da strati 2D fortemente legati, che sono legati nella terza dimensione da forze di dispersione più deboli.

I ricercatori dell'Università della California, Berkeley (UC Berkeley), del Kavli Energy Nanosciences Institute, dell'Istituto di tecnologia di Pechino, dell'Università di Shenzhen, dell'Università di Tsinghua, hanno recentemente introdotto un nuovo approccio sintonizzabile e reversibile per drogare chimicamente il grafene. Il loro approccio, presentato in un articolo pubblicato su Nature Electronics , si basa sulla clorazione laser assistita.

"I metodi convenzionali basati sul doping sostitutivo o sulla funzionalizzazione della superficie provocano il degrado della mobilità elettrica a causa del disordine strutturale e la massima densità di drogaggio è fissata dal limite di solubilità dei droganti", hanno scritto Yoonsoo Rho e i suoi colleghi nel loro articolo. "Mostriamo che un processo di clorazione laser assistita reversibile può essere utilizzato per creare concentrazioni di drogaggio elevate (sopra 3 × 10 ¹³ cm ⁻² ) in monostrati di grafene con minimi cali di mobilità."

Per implementare il loro approccio, Rho ei suoi colleghi hanno utilizzato un raggio laser a nanosecondi ultravioletti (UV), con una lunghezza d'onda di λ=213 nm (5,8 eV). Hanno allineato questo raggio parallelamente alla superficie del loro campione, sotto un flusso Cl₂ gas.

Il laser pulsato UV focalizzato può dissociare fotochimicamente il Cl₂ molecole, generando radichette Cl che si diffondono in tutto il campione di grafene. Dopo aver applicato il loro metodo a un campione di grafene, i ricercatori hanno raccolto misurazioni per determinarne gli effetti sulla densità e mobilità dei portatori di carica.

Successivamente, il team ha utilizzato un processo fototermico per rimuovere l'agente dopante Cl. Questo processo ha impiegato un laser verde a onda continua (CW) con una lunghezza d'onda di (λ=532 nm (2,3 eV)), che è stato applicato nella direzione normale con una dimensione focale di 2 μm (1/e2).

"Il nostro approccio utilizza due laser, con energie fotoniche distinte e configurazioni geometriche, progettati per la clorazione e la successiva rimozione del cloro, consentendo di scrivere e cancellare modelli altamente drogati senza danneggiare il grafene", hanno scritto Rho e i suoi colleghi nel loro articolo.

Per valutare il loro metodo di doping reversibile, il team lo ha utilizzato per creare giunzioni fotoattive riscrivibili per fotorilevatori a base di grafene. Hanno scoperto che il loro metodo di clorazione laser-assistita ha prodotto concentrazioni saturabili di drogaggio ultra elevato, producendo un calo minimo nella mobilità dei portatori di carica. Inoltre, durante la rimozione del drogante Cl, i pattern drogati sono stati completamente cancellati, senza causare alcun danno strutturale al grafene.

In futuro, l'approccio laser-assistito introdotto da questo team di ricercatori potrebbe essere utilizzato per introdurre diversi elementi dopanti nei materiali 2D di van der Waals. Ciò a sua volta potrebbe consentire l'introduzione reversibile di preziose funzionalità elettroniche per i dispositivi optoelettronici. + Esplora ulteriormente

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