(Phys.org)—Ricercatori che utilizzano i raggi X per studiare uno strato di carbonio dello spessore di un singolo atomo, chiamato grafene, hanno appreso nuove informazioni sul suo legame atomico e sulle proprietà elettroniche quando il materiale viene "drogato" con atomi di azoto. Mostrano che le tecniche a raggi X di sincrotrone possono essere strumenti eccellenti per studiare e comprendere meglio il comportamento del grafene drogato, che è stato preso in considerazione per l'uso come materiale di contatto promettente nei dispositivi elettronici grazie ai suoi numerosi tratti desiderabili, compresa un'elevata conduttività e, soprattutto, proprietà elettroniche sintonizzabili.

Doping grafene con piccole quantità di un altro elemento, come azoto o boro, lo trasforma in un materiale di "tipo n" (con portatori di carica negativa in eccesso, cioè elettroni) o un materiale di "tipo p" (con portatori di carica positiva in eccesso, cioè posti vacanti di elettroni chiamati "buchi"). In questo modo, il doping consente agli scienziati di "sintonizzare" le sue proprietà, compresi i tipi di legami tra gli atomi e come sono distribuiti i portatori di carica. Questo tipo di controllo è fondamentale quando si sviluppa un materiale con applicazioni specifiche in mente. Un esempio simile è il drogaggio del silicio utilizzato nel fotovoltaico a base di silicio; infatti, il grafene drogato viene esaminato per il suo potenziale utilizzo come materiale di contatto nelle celle solari (tra le sue molte qualità adatte a tale ruolo vi è la sua trasparenza alla luce visibile, una caratteristica necessaria per un contatto elettrico della cella solare).

In questo lavoro, i ricercatori hanno scoperto che possono essere presenti diversi tipi di legame tra atomi di carbonio e azoto, anche all'interno dello stesso foglio di grafene. Ciò si traduce in effetti profondamente diversi sulla concentrazione dei portatori di carica attraverso il foglio, che non è l'ideale.

"I nostri risultati indicano che il controllo dei tipi di legame nel grafene drogato chimicamente sarà una parte cruciale dell'adattamento delle sue proprietà per una particolare applicazione e del progresso dell'elettronica basata sul grafene in generale, " ha detto Theanne Schiros, scienziato corrispondente dello studio, che è ricercatore presso l'Energy Frontier Research Center della Columbia University. È anche l'autrice principale del corrispondente articolo pubblicato in Nano lettere .

I coautori del documento includono colleghi della Columbia University e della Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), CNR-Istituto di nanoscienze (Italia), Università di Sejong (Corea), l'Istituto nazionale di standard e tecnologia, Università di Stoccolma (Svezia), e Laboratorio nazionale di Brookhaven.

I dati a raggi X del gruppo mostrano che mentre è possibile creare grafene di tipo n, in cui un singolo atomo di azoto sostituisce un singolo atomo di carbonio, chiamato legame grafitico – si possono osservare fino a tre tipi di legame in un singolo foglio a seconda delle condizioni di lavorazione e crescita. Questi corrispondono ai tre modi in cui un atomo di azoto e un atomo di carbonio possono condividere gli elettroni.

Gli effetti di ciascun tipo sulla struttura elettronica del grafene sono piuttosto diversi. Per esempio, atomi di azoto che formano un legame "grafitico" con atomi di carbonio, il che significa che l'azoto e il carbonio condividono due elettroni, tendono ad aumentare il numero di portatori di carica nel materiale. Legami "piridinici" e "nitrilici", d'altra parte, tendono a ritirare i portatori di carica dal reticolo di carbonio.

Alla linea di luce NSLS U7A e alle linee di luce SSRL 10-1 e 13-2, Schiros e il suo gruppo hanno impiegato tre tecniche a raggi X per studiare i loro campioni di grafene:spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS), e spettroscopia di emissione di raggi X (XES). Ciascuno funziona sfruttando un modo in cui i raggi X possono interagire con un campione, quindi ognuno fornisce informazioni univoche su quel campione.

XPS misura il numero e le energie degli elettroni che sfuggono alla superficie di un campione quando è illuminato con raggi X, e quindi fornisce informazioni sulla concentrazione elementare e le energie di legame, che riflettono l'ambiente del legame chimico locale. XAS fornisce informazioni dirette sul tipo di legame tra gli atomi di azoto e carbonio, l'orientamento di quel legame, e gli orbitali molecolari non occupati formati tra gli atomi droganti e ospiti. XES fornisce complementari, informazioni specifiche dell'atomo sui livelli di energia degli elettroni occupati vicino al "livello di Fermi, " che gioca un ruolo chiave nel comportamento elettronico del grafene.

Quando combinato con calcoli teorici, le tre tecniche forniscono un quadro chiaro del ruolo dei droganti nel comportamento elettronico del grafene.

Questa ricerca è pubblicata il 29 giugno, 2012, edizione online di Nano lettere .