I ricercatori danesi hanno per la prima volta mappato la mobilità e la densità dei portatori di grandi fogli di grafene con radiazioni elettromagnetiche.
Per l'ultimo decennio, il consueto modo di misurare le proprietà elettroniche del grafene, in particolare la mobilità e la densità dei portatori, che insieme danno la conduttanza del foglio - è stato quello di fabbricare un dispositivo simile a un transistor e misurare elettronicamente come cambia la conduttanza in funzione della tensione di gate elettrostatica applicata. Questo approccio completamente elettronico è il migliore quando si tratta di piccoli pezzi di grafene, come le scaglie microscopiche prodotte dalla scissione micromeccanica (nota anche come "metodo dello scotch-tape") - tuttavia, i progressi nelle tecniche di produzione del grafene ora ci consentono di produrre continuamente grandi aree di metri di grafene. Produrre e misurare migliaia o milioni di dispositivi microscopici da tali fogli sarebbe poco pratico e ridurrebbe l'area utile del grafene per l'applicazione prevista. Dobbiamo essere in grado di controllare le proprietà elettroniche di regioni così grandi senza distruggerle nel processo.
I ricercatori dell'Università tecnica della Danimarca (DTU) hanno dimostrato che sia la mobilità dei portatori che la densità dei portatori del grafene possono essere misurate in modo spaziale e non distruttivo, fornendo "mappe" delle proprietà elettroniche fondamentali per l'uso riuscito di grafene nel fotovoltaico, elettronica, spintronica e ottica:utilizzare radiazioni terahertz (THz) ed eliminare la necessità di fabbricare dispositivi. Utilizzando una procedura nota come spettroscopia nel dominio del tempo THz, Jonas Buron e i colleghi dei team di ricerca DTU guidati da Peter Uhd Jepsen e Peter Bøggild hanno misurato la mobilità e la densità dei portatori in decine di migliaia di punti in un singolo strato di grafene delle dimensioni di un centimetro.
Un passo fondamentale in queste prime misurazioni senza contatto delle proprietà elettroniche del grafene è stata la realizzazione che la conduttanza del grafene poteva essere regolata durante le misurazioni utilizzando un back-gate, che è trasparente alle radiazioni THz. "Mentre dobbiamo ancora trasferire il grafene su un substrato speciale con il cancello THz-invisibile, è molto più facile e meno distruttivo delle tecniche convenzionali... e molto, più veloce", dice Jonas Buron. Per molte applicazioni elettroniche del grafene, la realizzazione di un back-gate è comunque un passaggio necessario. "Con alcune ottimizzazioni potremmo potenzialmente mappare la mobilità e la densità del vettore di un wafer da 4 pollici rivestito di grafene in pochi minuti".
Le mappe delle proprietà elettroniche del grafene stanno già fornendo spunti e sorprese sull'origine della loro variazione spaziale:in un campione, i ricercatori hanno osservato una variazione doppia nella mobilità rispetto alla densità dei portatori. Le variazioni di conduttanza sono solitamente attribuite a variazioni della densità del vettore dovute a variazioni di drogaggio, ma i ricercatori hanno dimostrato che qui non era così. "Abbiamo spesso notato variazioni così lente della conduttività su molti centimetri nelle misurazioni THz". Peter Bøggild ha spiegato. "Ma dal momento che il grafene è così facilmente drogato a causa del suo estremo rapporto superficie-volume, ci siamo sempre aspettati che questi fossero correlati alle variazioni del livello di doping locale. In questo caso, abbiamo la situazione esattamente opposta, e questo è sconcertante. Senza questa tecnica di mappatura della mobilità non lo avremmo mai saputo".
La tecnica THz-TDS ha un forte potenziale, aggiunge Peter Uhd Jepsen. "È già sorprendente quanto possiamo estrarre informazioni profonde dalla trasmissione di radiazioni attraverso un sottile foglio di soli 0,3 nm di atomi di carbonio, che è supportato da un pezzo di silicio 1,5 milioni di volte più spesso. Stiamo ancora imparando a caratterizzare le proprietà elettriche del grafene senza contatti elettrici, e sembrano esserci ottime opzioni per migliorare e velocizzare la tecnica."
