Campione ripreso utilizzando ARPES:gli scienziati della PGI-3 hanno utilizzato la spettroscopia fotoelettronica ad angolo risolta (ARPES) per determinare il grado di drogaggio nei campioni di grafene. Per questo metodo, i campioni vengono irradiati con luce UV per staccare gli elettroni dai materiali. Gli elettroni possono quindi essere rilevati. L'energia di legame originale degli elettroni distaccati determina la velocità con cui colpiscono il rivelatore. In questo modo, gli scienziati sono stati in grado di ricostruire la struttura a bande del grafene. Attestazione:Forschungszentrum Juelich
I fisici di Juelich hanno scoperto effetti inaspettati nel grafene drogato, ovvero il grafene che viene miscelato con atomi estranei. Hanno studiato campioni del composto di carbonio arricchito con l'atomo di azoto estraneo su vari materiali di substrato. Interazioni indesiderate con questi substrati possono influenzare le proprietà elettriche del grafene. I ricercatori del Peter Gruenberg Institute hanno ora dimostrato che l'efficacia del doping dipende dalla scelta del materiale del substrato. I risultati degli scienziati sono stati pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica .
Più duro del diamante e più duro dell'acciaio, peso leggero, trasparente, flessibile, ed estremamente conduttivo:il materiale mesh grafene è considerato il materiale del futuro. Potrebbe rendere i computer più veloci, telefoni cellulari più flessibili, e touchscreen più sottili. Ma così lontano, la produzione industriale del reticolo di carbonio, che è solo un atomo di spessore, si è rivelato problematico:nella quasi totalità dei casi, è necessario un substrato. La ricerca di un materiale adatto a questo scopo è una delle maggiori sfide nel percorso verso applicazioni pratiche perché se si verificano interazioni indesiderate, possono far perdere al grafene le sue proprietà elettriche.
Da alcuni anni, gli scienziati hanno testato il carburo di silicio, un composto cristallino di silicio e carbonio, per verificarne l'idoneità come materiale di substrato. Quando il materiale viene riscaldato a più di 1400 gradi Celsius in un'atmosfera di argon, il grafene può essere coltivato sul cristallo. Però, questo "grafene monostrato epitassiale" mostra - molto leggera - interazione con il substrato, che ne limita la mobilità elettronica.
Vista laterale delle strutture reticolari di grafene monostrato epitassiale (EMLG) e grafene monostrato quasi autoportante (QFMLG), prima (a sinistra) e dopo (a destra) il doping con azoto. La scala a destra mostra lo spessore dei campioni in ångström, dove il punto zero segna l'interfaccia tra il substrato e lo strato di grafene. Dopo il doping, il campione EMLG contiene atomi di azoto solo nel grafene, mentre il campione QFMLG mostra anche azoto nello strato di interfaccia. Attestazione:Forschungszentrum Jülich
Per aggirare questo problema, l'idrogeno viene introdotto nell'interfaccia tra i due materiali. Questo metodo è noto come intercalazione dell'idrogeno. I legami tra il grafene e il materiale del substrato sono separati e saturati dagli atomi di idrogeno. Ciò sopprime l'influenza elettronica del cristallo di silicio mentre il grafene rimane unito meccanicamente al substrato:grafene monostrato quasi indipendente.
Misurazioni di alta precisione con radiografie in piedi
Per applicazioni pratiche, le proprietà elettriche del grafene devono essere modificabili, ad esempio introducendo ulteriori elettroni nel materiale. Ciò viene effettuato mediante una "contaminazione" mirata del reticolo di carbonio con atomi estranei. Per questo processo, noto come doping, il grafene viene bombardato con ioni azoto e poi ricotto. Ciò si traduce in difetti nella struttura reticolare:alcuni pochi atomi di carbonio - meno dell'1% - si separano dal reticolo e vengono sostituiti con atomi di azoto, che portano con sé ulteriori elettroni.
Gli scienziati del Peter Gruenberg Institute di Juelich - Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3) hanno ora, per la prima volta, studiato se e come la struttura del materiale del substrato influenza questo processo di drogaggio. Alla sorgente di radiazione di sincrotrone Diamond Light Source a Didcot, Oxfordshire, UK, Francois C. Bocquet e i suoi colleghi hanno drogato campioni di grafene monostrato epitassiale e quasi autoportante e ne hanno studiato le proprietà strutturali ed elettroniche. Per mezzo di campi di onde di raggi X stazionari, sono stati in grado di scansionare sia il grafene che il substrato con una precisione di pochi milionesimi di micrometro, meno di un decimo del raggio di un atomo.
Anche gli atomi di azoto nello strato di interfaccia sono adatti al drogaggio
I loro risultati sono stati sorprendenti. "Alcuni degli atomi di azoto diffusi dal grafene nel carburo di silicio, " spiega Bocquet. "In precedenza si credeva che il bombardamento di azoto colpisse solo il grafene, ma non il materiale del substrato."
Sebbene entrambi i campioni siano stati trattati allo stesso modo, hanno mostrato diverse concentrazioni di azoto, ma quasi identico drogaggio elettronico:non tutti gli atomi di azoto erano integrati nel reticolo di grafene, tuttavia il numero di elettroni nel grafene è aumentato come se fosse così. La chiave di questo risultato inaspettato risiede nel diverso comportamento degli strati di interfaccia tra grafene e substrato. Per il grafene epitassiale, nulla è cambiato:il livello di interfaccia è rimasto stabile, la struttura invariata. Nel grafene quasi-libero, però, alcuni degli atomi di idrogeno tra il grafene e il substrato sono stati sostituiti con atomi di azoto. Secondo Bocquet:"Se esamini il grafene quasi a sé stante, troverai un atomo di azoto sotto il rivestimento di grafene in alcuni punti. Questi atomi di azoto, anche se non fanno parte del grafene, può drogare il reticolo senza distruggerlo. Questo risultato imprevisto è molto promettente per future applicazioni nella micro e nanoelettronica".
