O grafeno (camada superior) é um arranjo hexagonal de átomos de carbono. O nitreto de boro hexagonal é um arranjo semelhante de átomos de boro e nitrogênio cuja constante de rede é apenas 1,7 por cento maior. Os atributos do nitreto de boro o tornam um excelente substrato para preservar as propriedades intrínsecas do grafeno.
(PhysOrg.com) - O grafeno é um favo de mel bidimensional de carbono, apenas um átomo de espessura, cujas propriedades eletrônicas intrigantes incluem mobilidade de elétrons muito alta e resistividade muito baixa. O grafeno é tão sensível ao seu ambiente, Contudo, que esses atributos notáveis podem ser destruídos pela interferência de materiais próximos. Encontrar o melhor substrato no qual montar o grafeno é fundamental para que os dispositivos de grafeno se tornem práticos.
Grupos liderados por Michael Crommie e Alex Zettl, cientistas da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e professores de física da Universidade da Califórnia em Berkeley, uniram forças para examinar os melhores candidatos de substrato para preservar as propriedades intrínsecas do grafeno. Os resultados de sua pesquisa sobre a interação do grafeno com um substrato de nitreto de boro apareceram recentemente em Nano Letras .
“Qualquer substrato influencia as propriedades do grafeno, então, se você quiser estudar suas propriedades intrínsecas, a melhor maneira é trabalhar com grafeno suspenso, ”Diz Régis Decker, um ex-pós-doutorado no grupo Crommie, agora na Universidade de Hamburgo, Alemanha, e principal autor do relatório Nano Letters. “No entanto, o grafeno suspenso é bastante instável quando investigado com técnicas de sonda de varredura como microscopia de tunelamento de varredura ”- STM -“ porque a membrana de grafeno pode vibrar sob a ponta. Portanto, a ideia é encontrar um substrato que imite o caso do grafeno suspenso. ”
Um grupo baseado na Universidade de Columbia relatou, em outubro de 2010, que o grafeno suportado em um substrato de nitreto de boro (BN) tinha uma mobilidade de elétrons dramaticamente melhor do que o grafeno montado no substrato semicondutor mais comum, dióxido de silício (SiO 2 )
Os pesquisadores depositaram flocos de nitreto de boro em uma camada de dióxido de silício, crescido em uma camada de silício dopado. O silício dopado foi usado como um eletrodo de porta para dopar o grafeno durante a microscopia de tunelamento de varredura. O grafeno foi aplicado aos flocos de nitreto de boro (sob a ponta do STM) e ao dióxido de silício puro; o grafeno (roxo escuro e roxo claro) foi aterrado por um eletrodo de ouro / titânio (ouro). O STM pode fazer a varredura em ambos os sistemas de substrato.
“O grupo Columbia mostrou que a mobilidade dos elétrons no grafeno no nitreto de boro é muito melhor do que o grafeno no dióxido de silício, mas havia muitas perguntas que suas medidas macroscópicas não respondiam, ”Diz Yang Wang, do grupo Crommie, co-autor principal do relatório Nano Letters. Os grupos Crommie e Zettl compararam os dois sistemas lado a lado para descobrir por que o nitreto de boro funciona tão bem. “Para investigar BN em escala atômica, usamos STM para construir uma imagem da topografia do sistema e medir seus estados eletrônicos locais.”
Procurando o que torna o nitreto de boro especial
Diz Decker, “Para um sistema de substrato de grafeno ser capaz de imitar o grafeno suspenso, o substrato precisa de uma grande lacuna de banda eletrônica e sem ligações pendentes, de modo a evitar qualquer alteração na estrutura eletrônica do grafeno. O substrato também precisa ser muito plano, como o grafeno suspenso seria. O nitreto de boro é um bom candidato porque preenche esses requisitos. ”
O que primeiro atraiu os investigadores para o potencial do nitreto de boro como substrato de grafeno foram suas propriedades estruturais incomuns. Em sua estrutura hexagonal (h-BN), átomos alternados de nitrogênio e boro imitam de perto a forma como os átomos de carbono são arranjados no grafeno. Os átomos de boro e nitrogênio em compostos BN são emparelhados igualmente, e juntos seus elétrons de valência (três e cinco, respectivamente) são iguais aos de um par de átomos de carbono (quatro cada). Embora a rede h-BN seja cerca de 1,7 por cento maior que a do grafeno e não seja compatível com ela, os dois favos de mel colocados um sobre o outro podem ser alinhados muito mais intimamente do que o grafeno com o dióxido de silício. Ao contrário do grafeno, que normalmente não tem gap, h-BN tem uma grande lacuna de banda, devido à alternância de átomos de boro e nitrogênio em sua rede.
Para criar dispositivos de grafeno / BN, o grupo Zettl primeiro reduziu os cristais de nitreto de boro a flocos minúsculos pelo método testado e comprovado de “esfoliá-los” entre tiras de fita adesiva. Os flocos BN foram depositados em uma camada de SiO 2 , que foi cultivado em uma camada de silício dopado que, por sua vez, foi usado como um eletrodo de porta para ajustar a concentração de carga - uma forma de “dopar” a camada de grafeno acima - durante a microscopia de tunelamento de varredura.
Qiong Wu do grupo Crommie criou grafeno por meio de deposição química de vapor no cobre; no cobre, os átomos de carbono se auto-montam em uma estrutura em favo de mel com a espessura de um único átomo. As folhas de grafeno foram transferidas do cobre para o plástico macio e então colocadas no topo dos flocos de nitreto de boro pressionando o plástico sobre o BN. Toda a montagem foi recozida em alta temperatura.
A camada de grafeno foi aterrada depositando um eletrodo de titânio e ouro sobre ela. Três sistemas de grafeno / BN foram feitos desta forma, pronto para comparações diretas de STM com grafeno e dióxido de silício. A ponta do STM pode varrer a camada de grafeno, medir a topografia e as concentrações locais de carga em vários níveis de dopagem determinados pelo eletrodo de porta de camada de silício.
Nitreto de boro versus dióxido de silício
“Algumas coisas foram pensadas para interferir com a mobilidade do elétron no grafeno sobre o dióxido de silício, ”Diz Victor Brar do grupo Crommie. “Um são as impurezas que entopem o grafeno e alteram localmente a concentração de cargas”.
Uma maneira segura de encurtar o caminho livre médio dos elétrons (ou suas contrapartes carregadas positivamente, ausências de elétrons chamadas buracos) é espalhar o caminho com obstáculos conhecidos como poças de carga, que são flutuações nas concentrações locais de carga. Em grafeno em SiO 2, poças de carga são comuns.
“Tínhamos estudado anteriormente as propriedades dos sistemas de grafeno / dióxido de silício em detalhes, ”Diz Michael Crommie, “E mostrou que poças de carga não são causadas por ondulações ou ondulações na folha de grafeno, como havia sido sugerido, mas sim por impurezas abaixo da camada de grafeno. ”
Os resultados da medição de grafeno em um substrato de nitreto de boro estão à esquerda, grafeno em dióxido de silício à direita. O STM mapeou a topografia dos sistemas (traseira) e as densidades de carga locais (frente). Grafeno em nitreto de boro é extraordinariamente plano, e a falta de homogeneidade dos estados de carga locais é significativamente reduzida em comparação com o dióxido de silício.
Uma fonte dessas impurezas pode ser matéria estranha presa entre o grafeno e o substrato quando a camada de grafeno é aplicada. Minúsculas bolhas de ar ou moléculas de água ou outras substâncias estranhas podem atuar como dopantes.
“Quando fizemos o grafeno em dispositivos de nitreto de boro, procuramos impurezas atmosféricas, mas não vimos nenhuma evidência de seus efeitos, ”Diz Brar. “Para fazer dispositivos de grafeno práticos, isso é uma boa notícia, porque significa que eles não precisam ser montados no vácuo. ”
Outra fonte de dopagem com grafeno e concentrações de carga subsequentes são ligações penduradas no substrato. Um elétron de valência disponível para ligação com outro átomo é uma receita para reatividade química, e o dióxido de silício tem uma alta concentração de ligações pendentes. Nitreto de boro, Contudo, não tem elétrons restantes para formar ligações pendentes.
As comparações STM dos dois sistemas exibiram vividamente as diferenças entre eles. Topograficamente, o grafeno no nitreto de boro é muito menos áspero do que o grafeno no silício, com diferenças de altura nas superfícies digitalizadas atingindo apenas cerca de 40 picômetros (trilionésimos de metro). As diferenças de altura com o substrato de dióxido de silício foram até 30 vezes maiores.
Eletronicamente, variações na densidade de carga foram reduzidas dramaticamente no substrato BN. Em comparação com os valores quase invariáveis do sistema de nitreto de boro, os gráficos dos sistemas de dióxido de silício lembram pinturas de campos de cores da arte moderna.
Finalmente, Decker diz, “Porque sua constante de rede é muito próxima da do grafeno, teóricos previram que isso induz um gap no grafeno, o que seria interessante para aplicações ”- se não fosse para manter as propriedades intrínsecas do grafeno. O grupo Crommie investigou como as propriedades eletrônicas podem variar de acordo com a orientação da folha de grafeno no substrato de nitreto de boro. Os dois, redes não muito comensuráveis traíram seu alinhamento exibindo padrões mutáveis de moiré com orientações diferentes.
Diz Wang, “Vimos muitos alinhamentos diferentes, incluindo alinhamentos que eram quase perfeitos. Mas o grafeno ainda não mostrou nenhuma lacuna de banda. ”Em suma, como o grafeno é orientado em um substrato de nitreto de boro não faz diferença detectável em suas excelentes propriedades eletrônicas.
Michael Crommie diz:“O sistema de grafeno / BN é realmente muito melhor do que qualquer outro substrato para uma variedade de aplicações. Existem muito menos impurezas, muito menos falta de homogeneidade de carga, muito menos instabilidade, e muito mais estabilidade - ao todo, um ambiente muito mais limpo para estudar as propriedades intrínsecas do grafeno. O nitreto de boro é um sistema realmente fabuloso para dispositivos práticos de grafeno. ”
