(PhysOrg.com) -- Il grafene è un nido d'ape bidimensionale di carbonio, solo un atomo di spessore, le cui intriganti proprietà elettroniche includono una mobilità degli elettroni molto elevata e una resistività molto bassa. Il grafene è così sensibile al suo ambiente, però, che questi straordinari attributi possono essere distrutti dall'interferenza dei materiali vicini. Trovare il miglior substrato su cui montare il grafene è fondamentale se i dispositivi al grafene devono diventare pratici.

Gruppi guidati da Michael Crommie e Alex Zettl, scienziati della Divisione di Scienze dei Materiali presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento di Energia degli Stati Uniti e professori di fisica presso l'Università della California a Berkeley, hanno unito le forze per esaminare i migliori substrati candidati per preservare le proprietà intrinseche del grafene. I risultati della loro ricerca sull'interazione del grafene con un substrato di nitruro di boro sono apparsi di recente in Nano lettere .

“Qualsiasi substrato influenza le proprietà del grafene, quindi se vuoi studiarne le proprietà intrinseche il modo migliore è lavorare con il grafene sospeso, "dice Régis Decker, un ex borsista post-dottorato nel gruppo Crommie, ora all'Università di Amburgo, Germania, e autore principale del rapporto Nano Letters. “Tuttavia, il grafene sospeso è piuttosto instabile se studiato con tecniche di scansione della sonda come la microscopia a scansione di tunnel” – STM – “perché la membrana di grafene può vibrare sotto la punta. Quindi l'idea è di trovare un substrato che imiti il ​​caso del grafene sospeso".

Un gruppo con sede presso la Columbia University ha riferito, nell'ottobre 2010, che il grafene supportato su un substrato di nitruro di boro (BN) aveva una mobilità degli elettroni notevolmente migliore rispetto al grafene montato sul substrato semiconduttore più comune, biossido di silicio (SiO ₂ ).

“Il gruppo Columbia ha dimostrato che la mobilità degli elettroni nel grafene sul nitruro di boro è molto migliore del grafene sul biossido di silicio, ma c'erano molte domande a cui le loro misurazioni macroscopiche non rispondevano, ” dice Yang Wang del gruppo Crommie, co-autore principale del rapporto Nano Letters. I gruppi Crommie e Zettl hanno confrontato i due sistemi fianco a fianco per scoprire perché il nitruro di boro funziona così bene. "Per studiare il BN su scala atomica abbiamo usato STM per costruire un'immagine della topografia del sistema e misurare i suoi stati elettronici locali".

Alla ricerca di ciò che rende speciale il nitruro di boro

Dice Decker, “Affinché un sistema substrato-grafene sia in grado di imitare il grafene sospeso, il substrato necessita di un ampio intervallo di banda elettronico e nessun legame penzolante, in modo da evitare qualsiasi cambiamento nella struttura elettronica del grafene. Il substrato dovrebbe anche essere molto piatto, come sarebbe il grafene sospeso. Il nitruro di boro è un buon candidato perché soddisfa questi requisiti”.

Ciò che per primo ha attratto i ricercatori del potenziale del nitruro di boro come substrato di grafene sono state le sue insolite proprietà strutturali. Nella sua struttura esagonale (h-BN), l'alternanza di atomi di azoto e boro imita da vicino il modo in cui gli atomi di carbonio sono disposti nel grafene. Gli atomi di boro e azoto nei composti BN sono accoppiati allo stesso modo, e insieme i loro elettroni di valenza (tre e cinque, rispettivamente) uguali a quelli di una coppia di atomi di carbonio (quattro ciascuno). Sebbene il reticolo h-BN sia circa l'1,7% più grande di quello del grafene e non commisurato ad esso, i due favi sovrapposti possono essere allineati molto più strettamente del grafene su biossido di silicio. A differenza del grafene, che normalmente non ha band gap, h-BN ha un ampio gap di banda, a causa dell'alternanza di atomi di boro e azoto nel suo reticolo.

Per creare dispositivi grafene/BN, il gruppo Zettl per primo ridusse i cristalli di nitruro di boro in minuscole scaglie con il metodo collaudato di "esfoliarli" tra strisce di scotch. I fiocchi di BN sono stati depositati su uno strato di SiO ₂ , che è stato coltivato su uno strato di silicio drogato che, a sua volta, è stato utilizzato come elettrodo di gate per regolare la concentrazione di carica - un modo per "doping" lo strato di grafene sopra - durante la microscopia a scansione a effetto tunnel.

Qiong Wu del gruppo Crommie ha creato il grafene mediante deposizione chimica da vapore su rame; su rame, gli atomi di carbonio si autoassemblano in un reticolo a nido d'ape dello spessore di un singolo atomo. I fogli di grafene sono stati trasferiti dal rame alla plastica morbida e quindi posti sopra i fiocchi di nitruro di boro premendo la plastica sul BN. L'intero assemblaggio è stato ricotto a fuoco vivo.

Lo strato di grafene è stato messo a terra depositandovi sopra un elettrodo di titanio e oro. In questo modo sono stati realizzati tre sistemi grafene/BN, pronto per confronti diretti STM con grafene su biossido di silicio. La punta STM potrebbe scansionare lo strato di grafene, misurare la topografia e le concentrazioni di carica locale a vari livelli di drogaggio determinate dall'elettrodo di gate dello strato di silicio.

Nitruro di boro contro biossido di silicio

“Si pensava che un paio di cose interferissero con la mobilità degli elettroni nel grafene sul biossido di silicio, ” afferma Victor Brar del gruppo Crommie. "Uno sono le impurità che drogano il grafene e alterano localmente la concentrazione delle cariche".

Un modo sicuro per accorciare il cammino libero medio degli elettroni (o delle loro controparti caricate positivamente, assenze di elettroni chiamate buchi) consiste nel cospargere il percorso di ostacoli noti come pozzanghere di carica, che sono fluttuazioni nelle concentrazioni locali di carica. In grafene su SiO _2, le pozzanghere di carica sono comuni.

“In precedenza avevamo studiato in dettaglio le proprietà dei sistemi grafene/biossido di silicio, "dice Michael Crommie, “e ha dimostrato che le pozzanghere di carica non sono causate da increspature o ondulazioni nel foglio di grafene, come era stato suggerito, ma piuttosto da impurità al di sotto dello strato di grafene”.

Una fonte di tali impurità potrebbe essere corpi estranei intrappolati tra il grafene e il substrato quando viene applicato lo strato di grafene. Piccole bolle d'aria o molecole d'acqua o altri corpi estranei potrebbero agire come droganti.

“Quando abbiamo realizzato il grafene su dispositivi al nitruro di boro abbiamo cercato le impurità atmosferiche, ma non abbiamo visto alcuna prova dei loro effetti, "dice Brar. “Per realizzare pratici dispositivi al grafene, questa è una buona notizia, perché significa che non devono essere assemblati nel vuoto”.

Un'altra fonte di drogaggio del grafene e delle successive concentrazioni di carica sono i legami penzolanti nel substrato. Un elettrone di valenza disponibile per il legame con un altro atomo è una ricetta per la reattività chimica, e il biossido di silicio ha un'alta concentrazione di legami penzolanti. nitruro di boro, però, non ha elettroni rimanenti per formare legami penzolanti.

I confronti STM dei due sistemi hanno mostrato vividamente le differenze tra loro. Topograficamente, il grafene su nitruro di boro è molto meno ruvido del grafene su silicio, con dislivelli sulle superfici scansionate che raggiungono solo circa 40 picometri (trilionesimi di metro). Le differenze di altezza con il substrato di biossido di silicio erano fino a 30 volte maggiori.

elettronicamente, le variazioni nella densità di carica sono state ridotte drasticamente nel substrato BN. Rispetto ai valori pressoché invariabili del sistema al nitruro di boro, i grafici dei sistemi di biossido di silicio assomigliano ai dipinti di campi di colore dell'arte moderna.

Finalmente, Decker dice, “perché la sua costante reticolare è molto vicina a quella del grafene, i teorici hanno predetto che questo induce un gap di banda nel grafene, che sarebbe interessante per le applicazioni” – se non per mantenere le proprietà intrinseche del grafene. Il gruppo Crommie ha studiato come le proprietà elettroniche potrebbero variare in base all'orientamento del foglio di grafene sul substrato di nitruro di boro. Il due, reticoli non del tutto commisurati tradivano il loro allineamento esibendo modelli moiré mutevoli con orientamenti diversi.

Dice Wang, “Abbiamo visto molti allineamenti diversi, compresi gli allineamenti che erano quasi perfetti. Ma il grafene non mostrava ancora alcun band gap.” In sintesi, il modo in cui il grafene è orientato su un substrato di nitruro di boro non fa alcuna differenza rilevabile nelle sue eccellenti proprietà elettroniche.

Michael Crommie dice, “Il sistema grafene/BN è davvero molto più bello di qualsiasi altro substrato per una vasta gamma di applicazioni. Ci sono molte meno impurità, molto meno disomogeneità di carica, molto meno irregolarità, e molta più stabilità – in tutto, un ambiente molto più pulito per studiare le proprietà intrinseche del grafene. Il nitruro di boro è un sistema davvero favoloso per pratici dispositivi al grafene”.