Un team interdisciplinare di scienziati presso l'U.S. Naval Research Laboratory (NRL), Divisioni Scienza e tecnologia elettronica e Scienza e tecnologia dei materiali, ha dimostrato l'impianto ionico ipertermico (HyTII) come mezzo efficace per drogare in modo sostituzionale il grafene, un foglio di carbonio a spessore singolo disposto esagonale, con atomi di azoto. Il risultato è una pellicola a basso difetto con una struttura a banda regolabile adatta a una varietà di piattaforme e applicazioni di dispositivi.

La ricerca mostra che il metodo HyTII offre un alto grado di controllo, compresa la concentrazione di doping e, per la prima volta, dimostra il controllo della profondità dell'impianto drogando un singolo monostrato di grafene in uno stack di grafene a doppio strato. Ciò dimostra ulteriormente che i film risultanti hanno proprietà di trasporto elettronico di alta qualità che possono essere descritte esclusivamente da cambiamenti nella struttura della banda piuttosto che dal comportamento dominato dai difetti dei film di grafene drogati o funzionalizzati utilizzando altri metodi.

"Dalla scoperta che un singolo strato atomico di sp2 ha legato atomi di carbonio, chiamato grafene, potrebbe essere isolato dalla grafite sfusa, sono emerse una pletora di notevoli proprietà elettroniche e spintroniche, " ha detto il dottor Cory Cress, ingegnere di ricerca sui materiali, NRL. "Però, poche applicazioni sono in arrivo perché il grafene non ha un bandgap e il suo doping è difficile da controllare, rendendo i dispositivi al grafene competitivi solo per tecnologie di dispositivi altamente specializzati."

Il drogaggio o la funzionalizzazione chimica possono aggiungere un gap di trasporto utilizzabile. Però, questi metodi tendono a produrre pellicole afflitte da difetti involontari, hanno una bassa stabilità, o copertura non uniforme di droganti e gruppi funzionali, che limitano notevolmente la loro utilità e degradano le proprietà desiderabili intrinseche del film di grafene.

In alternativa, Gli scienziati dell'NRL hanno sfruttato il loro background sugli effetti delle radiazioni per sviluppare un sistema di impianto di ioni ipertermico con la precisione e il controllo necessari per impiantare azoto (N+) nel grafene ottenendo il doping tramite sostituzione diretta.

"Dopo molti mesi di sviluppo del sistema, la fattibilità della tecnica dipendeva proprio dal primo esperimento, " Cress ha detto. "Nel nostro studio, abbiamo determinato la gamma di energie ioniche ipertermiche che ha prodotto la più alta frazione di drogaggio con azoto, riducendo al minimo i difetti, e siamo riusciti a confermare il controllo intrinseco della profondità del processo HyTII."

Per raggiungere quest'ultimo, gli scienziati hanno implementato un sistema di materiale di grafene a doppio strato comprendente uno strato di grafene naturale, con principalmente atomi di carbonio-12 (12C), stratificato su grafene sintetizzato con più del 99% di carbonio-13 (13C). Questo materiale a doppio strato ha fornito un mezzo per identificare quale strato stavano modificando quando analizzato con la spettroscopia Raman.

I dispositivi realizzati con film trattati con N+ nell'intervallo di drogaggio ottimale mostrano una transizione da una localizzazione forte a una debole che dipende dalla dose di impianto, indicando la capacità dell'azoto impiantato di alterare le proprietà intrinseche del film. Come ulteriormente evidenziato dall'elevata qualità elettronica dei dispositivi impiantati rispetto a dispositivi simili drogati con adatom, gli scienziati hanno scoperto che la dipendenza dalla temperatura può essere adattata da un modello che tenga conto sia degli effetti di banda dovuti al drogaggio sostitutivo che degli effetti di tipo isolante dovuti alla formazione di difetti, con gli effetti banda osservati come la componente dominante.

Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che una maggiore quantità di drogaggio di azoto impedisce il comportamento di crossover verso l'isolamento vicino al punto di neutralità della carica. I difetti sembrano dominare il comportamento solo a grandi energie di impianto, dove i difetti sono più probabili, dimostrando ulteriormente le differenze tra i film realmente drogati e i precedenti film difettosi/drogati.

"Le nostre misurazioni di questi dispositivi indicano fortemente che abbiamo finalmente fabbricato un film di grafene con un bandgap sintonizzabile, bassa densità di difetti, e alta stabilità, " spiega il dottor Adam L. Friedman, fisico ricercatore, NRL. "Pertanto ipotizziamo che i film di grafene HyTII abbiano un grande potenziale per applicazioni elettroniche o spintroniche per grafene di alta qualità in cui si desidera un trasporto o bandgap e un'elevata concentrazione di vettori".