I ricercatori stanno creando giunzioni p-n di grafene trasferendo pellicole di materiale elettronico a substrati modellati da composti che sono forti donatori di elettroni o accettori di elettroni.

Le proprietà elettroniche dei film di grafene sono direttamente influenzate dalle caratteristiche dei substrati su cui vengono coltivati ​​o sui quali vengono trasferiti. I ricercatori ne stanno approfittando per creare giunzioni p-n di grafene trasferendo film del promettente materiale elettronico su substrati modellati da composti che sono forti donatori di elettroni o accettori di elettroni.

Una temperatura bassa, è stato sviluppato un metodo controllabile e stabile per drogare i film di grafene utilizzando monostrati autoassemblati (SAM) che modificano l'interfaccia del grafene e il suo substrato di supporto. Usando questo concetto, un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology ha creato giunzioni p-n di grafene, essenziali per la fabbricazione di dispositivi, senza danneggiare la struttura reticolare del materiale o ridurre significativamente la mobilità elettrone/lacuna.

Il grafene è stato coltivato su un film di rame mediante deposizione chimica da fase vapore (CVD), un processo che consente la sintesi di film su larga scala e il loro trasferimento ai substrati desiderati per le applicazioni dei dispositivi. I film di grafene sono stati trasferiti su substrati di biossido di silicio che sono stati funzionalizzati con i monostrati autoassemblati.

Le informazioni sulla creazione di giunzioni p-n di grafene utilizzando monostrati autoassemblati sono state presentate il 28 novembre, 2012 al Fall Meeting della Materials Research Society. Nel settembre 2012 sono stati pubblicati anche articoli che descrivono aspetti del lavoro sulle riviste ACS Materiali applicati e interfacce e il Journal of Physical Chemistry C . Il finanziamento per la ricerca è venuto dalla National Science Foundation, attraverso il Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) e attraverso borse di ricerca separate.

"Siamo riusciti a dimostrare che è possibile produrre grafene di tipo p e di tipo n abbastanza ben drogato in modo controllabile modellando il monostrato sottostante invece di modificare direttamente il grafene, "ha detto Clifford Henderson, un professore della Georgia Tech School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Mettere il grafene sopra i monostrati autoassemblati utilizza l'effetto della donazione di elettroni o del ritiro di elettroni da sotto il grafene per modificare le proprietà elettroniche del materiale".

Il team di ricerca della Georgia Tech che lavora al progetto comprende docenti, borsisti post-dottorato e dottorandi di tre diverse scuole. Oltre a Henderson, i professori che fanno parte del team includono Laren Tolbert della School of Chemistry and Biochemistry e Samuel Graham della Woodruff School of Mechanical Engineering. Il team di progetto comprende anche Hossein Sojoudi, un borsista post-dottorato, e José Baltazar, un assistente di ricerca laureato.

La creazione di drogaggio di tipo n e p nel grafene, che non ha bande proibite naturali, ha portato allo sviluppo di diversi approcci. Gli scienziati hanno sostituito gli atomi di azoto con alcuni degli atomi di carbonio nel reticolo del grafene, composti sono stati applicati alla superficie del grafene, e i bordi dei nanonastri di grafene sono stati modificati. Però, la maggior parte di queste tecniche presenta degli svantaggi, compresa l'interruzione del reticolo, che riduce la mobilità degli elettroni, e problemi di stabilità a lungo termine.

"Ogni volta che metti in contatto il grafene con un substrato di qualsiasi tipo, il materiale ha una tendenza intrinseca a cambiare le sue proprietà elettriche, " Ha detto Henderson. "Ci siamo chiesti se potevamo farlo in modo controllato e usarlo a nostro vantaggio per rendere il materiale prevalentemente di tipo n o di tipo p. Ciò potrebbe creare un effetto drogante senza introdurre difetti che interrompono l'attraente mobilità degli elettroni del materiale".

Utilizzando tecniche di litografia convenzionali, i ricercatori hanno creato modelli da diversi materiali silanici su un substrato dielettrico, solitamente ossido di silicio. I materiali sono stati scelti perché sono forti donatori di elettroni o accettori di elettroni. Quando un sottile film di grafene viene posizionato sui motivi, i materiali sottostanti creano sezioni cariche nel grafene che corrispondono al patterning.

"Siamo stati in grado di drogare il grafene in materiali sia di tipo n che di tipo p attraverso una donazione di elettroni o un effetto di ritiro dal monostrato, " Henderson ha spiegato. "Ciò non porta ai difetti di sostituzione che si vedono con molti degli altri processi di doping. La stessa struttura del grafene è ancora intatta quando arriva a noi nel processo di trasferimento".

I monostrati sono legati al substrato dielettrico e sono termicamente stabili fino a 200 gradi Celsius con il film di grafene su di essi, Sojoudi notato. Il team della Georgia Tech ha utilizzato il 3-amminopropiltrietossisilano (APTES) e il perfluoroottiltrietossisilano (PFES) per la modellazione. In linea di principio, però, ci sono molti altri materiali disponibili in commercio che potrebbero anche creare i modelli.

"Puoi costruire tutte le regioni di tipo n e di tipo p che desideri, " Sojoudi ha detto. "Puoi anche aumentare e diminuire il doping in modo controllabile. Questa tecnica ti dà il controllo sul livello di doping e su quale sia il vettore dominante in ogni regione".

I ricercatori hanno usato la loro tecnica per fabbricare giunzioni p-n di grafene, che è stato verificato dalla creazione di transistor ad effetto di campo (FET). Le curve caratteristiche I-V indicavano la presenza di due punti Dirac separati, che indicava una separazione energetica dei punti di neutralità tra le regioni p e n nel grafene, disse Sojoudi.

Il gruppo utilizza la deposizione chimica da vapore per creare sottili film di grafene su un foglio di rame. Uno spesso film di PMMA è stato rivestito per rotazione sopra il grafene, e il rame sottostante è stato quindi rimosso. Il polimero funge da supporto per il grafene fino a quando non può essere posizionato sul substrato rivestito di monostrato, dopo di che viene rimosso.

Oltre a sviluppare le tecniche di doping, il team sta anche esplorando nuovi materiali precursori che potrebbero consentire la produzione CVD di grafene a temperature sufficientemente basse da consentire la fabbricazione direttamente su altri dispositivi. Ciò potrebbe eliminare la necessità di trasferire il grafene da un substrato all'altro.

A basso costo, i mezzi a bassa temperatura per produrre grafene potrebbero anche consentire ai film di trovare applicazioni più ampie nei display, celle solari e diodi organici emettitori di luce, dove sarebbero necessari grandi fogli di grafene.

"Il vero obiettivo è trovare modi per produrre grafene a temperature più basse e in modi che ci permettano di integrarlo con altri dispositivi, sia CMOS al silicio o altri materiali che non potevano tollerare le alte temperature richieste per la crescita iniziale, "Henderson ha detto. "Stiamo cercando modi per trasformare il grafene in un materiale elettronico o optoelettronico utile a basse temperature e in forme modellate".