Un primo piano, immagine tridimensionale di un singolo atomo di azoto in un foglio di grafene - un materiale costituito da atomi di carbonio disposti a nido d'ape. L'atomo di azoto più grande sporge al di sopra dei suoi vicini di carbonio e contribuisce per circa la metà del suo elettrone in più al reticolo di grafene, modificandone le proprietà elettroniche. L'immagine è stata realizzata con un microscopio a scansione a effetto tunnel. Immagine per gentile concessione di Science/AAAS
(PhysOrg.com) -- La forza, flessibilità, la trasparenza e l'elevata conduttività elettrica del grafene a strato singolo lo rendono un materiale potenzialmente unico e prezioso per la prossima generazione di dispositivi elettronici. Fatto di atomi di carbonio disposti a nido d'ape - pensate a un recinto di rete metallica - è trasparente al 97 percento e 1, 000 volte più forte dell'acciaio.
I ricercatori stanno lavorando su come mettere a punto le proprietà del grafene per specifiche applicazioni elettroniche. Un modo per farlo è doping – introducendo piccole quantità di altri elementi, come azoto o fosforo, che aggiungono o sottraggono elettroni dal sistema. Ampiamente usato nella tecnologia del silicio, il drogaggio è stato effettuato sperimentalmente in fogli di grafene monostrato; ma fino ad ora, i dettagli di come gli atomi droganti si inseriscono nel foglio e si legano con i loro vicini di carbonio sono rimasti sfuggenti.
In uno studio riportato il 9 agosto in Scienza , ricercatori della Columbia University, La Sejong University in Corea e i laboratori nazionali SLAC e Brookhaven hanno utilizzato una combinazione di quattro tecniche per realizzare le prime immagini dettagliate del film di grafene drogato con azoto. Hanno mostrato che i singoli atomi di azoto avevano preso il posto degli atomi di carbonio nel foglio bidimensionale; che circa la metà dell'elettrone in più fornito da ciascun atomo di azoto era distribuito in tutto il reticolo del grafene; e che questo ha cambiato la struttura elettronica del foglio di grafene solo entro una breve distanza - circa la larghezza di due atomi di carbonio - dagli atomi droganti. La capacità di controllare la struttura elettronica a livello atomico ha importanti implicazioni per la messa a punto delle proprietà elettroniche uniche del grafene per particolari applicazioni di dispositivi.
“Non stiamo cercando di lavorare su sistemi esistenti e migliorarli. Stiamo cercando nuove direzioni che possano potenzialmente consentire efficienze molto più elevate, ” ha detto la co-autrice dell'articolo Theanne Schiros, uno scienziato di superficie presso l'Energy Frontier Research Center del Dipartimento dell'Energia della Columbia, che sta studiando il grafene come possibile elettrodo per nuovi dispositivi fotovoltaici.
Questa immagine mostra un'area di grafene che è stata drogata con atomi di azoto. Piccole macchie rosse mostrano singoli atomi di azoto che si sono depositati nel reticolo del grafene; dato che sono un po' più grandi degli atomi di carbonio, sporgono leggermente al di sopra di esso. Le macchie più grandi sono gruppi di atomi di azoto. L'immagine è stata realizzata con un microscopio a scansione a effetto tunnel. Immagine per gentile concessione Science/AAAS
“Ora vediamo che il doping è una strategia che può essere applicata al grafene in modo pulito e robusto, "ha detto, fornendo un modo potenziale per creare film di grafene di alta qualità da utilizzare in applicazioni elettroniche, comprese le celle solari.
Schiros non è estraneo allo SLAC, avendo fatto il suo dottorato di ricerca lavorare qui sotto Anders Nilsson. Il suo lavoro attuale alla Columbia si concentra sull'utilizzo dei raggi X da sorgenti di luce di sincrotrone per sondare nuovi materiali da utilizzare nelle tecnologie delle energie rinnovabili.
Per questo studio, è tornata allo SLAC per lavorare con Dennis Nordlund, uno scienziato del personale presso la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) di SLAC, dove i recenti aggiornamenti hanno permesso loro di scansionare automaticamente molti campioni dei film di grafene drogati con azoto contemporaneamente.
Il team di ricerca ha sviluppato i film depositando vapore chimico su un sottile foglio di lamina di rame.
Hanno analizzato alcuni campioni di pellicola mentre era sulla lamina di rame, e ne trasferiva altri al biossido di silicio, il substrato standard per le misurazioni del dispositivo, per il test. Ogni campione è stato esaminato con spettroscopia Raman e microscopia a effetto tunnel (STM) presso la Columbia, e con fasci di raggi X alla SSRL di SLAC, e la sorgente di luce di sincrotrone nazionale di Brookhaven (NSLS).
Gli spettri Raman hanno mostrato che il drogante di azoto aveva modificato le proprietà elettroniche del foglio di grafene senza disturbare la sua struttura di base. Le misurazioni a raggi X alle linee di luce SSRL 10-1 e 13-2 e alla linea di luce NSLS U7A hanno indicato che gli atomi di azoto si trovano all'interno del piano del foglio di grafene e ciascuno di essi è legato con tre vicini di carbonio; in altre parole, ogni atomo di azoto aveva sostituito un carbonio nel foglio.
Finalmente, le immagini STM hanno mostrato gli atomi di azoto come punti luminosi sulla superficie del grafene. Contando quei punti, i ricercatori hanno determinato che la concentrazione di drogante di azoto per atomo di carbonio variava dallo 0,23 allo 0,35%. Le immagini hanno anche rivelato che gli atomi di azoto sporgevano dallo strato di grafene di circa 0,6 Ångstrom, come farebbero se avessero sostituito il carbonio nel reticolo. Questi risultati erano coerenti con le simulazioni di immagini STM basate sulla teoria.
L'autore principale del documento era lo studente laureato in fisica della Columbia Liuyan Zhao, lavorando nel laboratorio di Abhay N. Pasupathy, e il lavoro è stato svolto in collaborazione con l'Energy Frontier Research Center della Columbia, che annovera tra i suoi collaboratori SLAC e Stanford.
