p (PhysOrg.com) - A força, flexibilidade, a transparência e a alta condutividade elétrica do grafeno de camada única o tornam um material potencialmente único e valioso para a próxima geração de dispositivos eletrônicos. Feito de átomos de carbono dispostos em um padrão de favo de mel - pense em uma cerca de arame de galinha - é 97 por cento transparente e 1, 000 vezes mais forte que o aço. p Os pesquisadores estão trabalhando em maneiras de ajustar as propriedades do grafeno para aplicações eletrônicas específicas. Uma maneira de fazer isso é através do doping - introduzindo pequenas quantidades de outros elementos, como nitrogênio ou fósforo, que adicionam ou subtraem elétrons do sistema. Amplamente utilizado na tecnologia de silício, a dopagem foi realizada experimentalmente em folhas de grafeno de camada única; mas até agora, os detalhes de como os átomos dopantes se encaixam na folha e se ligam a seus vizinhos de carbono permaneceram indefinidos.

p Em um estudo relatado em 9 de agosto em Ciência , pesquisadores da Columbia University, A Universidade Sejong na Coréia e os laboratórios nacionais SLAC e Brookhaven usaram uma combinação de quatro técnicas para fazer as primeiras imagens detalhadas do filme de grafeno dopado com nitrogênio. Eles mostraram que átomos de nitrogênio individuais ocuparam o lugar dos átomos de carbono na folha bidimensional; que cerca de metade do elétron extra contribuído por cada átomo de nitrogênio foi distribuído por toda a rede de grafeno; e que isso mudou a estrutura eletrônica da folha de grafeno apenas a uma curta distância - cerca da largura de dois átomos de carbono - dos átomos contaminantes. A capacidade de controlar a estrutura eletrônica no nível atômico tem implicações importantes para ajustar as propriedades eletrônicas exclusivas do grafeno para aplicações de dispositivos específicos.

p “Não estamos tentando trabalhar nos sistemas existentes e torná-los melhores. Estamos procurando novas direções que possam permitir eficiências muito maiores, ”Disse o co-autor do artigo Theanne Schiros, um cientista de superfície do Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia do Departamento de Energia em Columbia, que está investigando o grafeno como um possível eletrodo para novos dispositivos fotovoltaicos.

p “Agora vemos que o doping é uma estratégia que pode ser aplicada ao grafeno de forma limpa e robusta, ”Ela disse, fornecendo uma maneira potencial de criar filmes de grafeno de alta qualidade para uso em aplicações eletrônicas, incluindo células solares.

p Schiros conhece bem o SLAC, tendo feito seu Ph.D. trabalho aqui sob Anders Nilsson. Seu trabalho atual na Columbia se concentra no uso de raios-X de fontes de luz síncrotron para sondar novos materiais para uso em tecnologias de energia renovável.

p Para este estudo, ela voltou ao SLAC para trabalhar com Dennis Nordlund, um cientista da equipe da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC, onde atualizações recentes permitiram que eles digitalizassem automaticamente muitas amostras dos filmes de grafeno dopados com nitrogênio de uma vez.

p A equipe de pesquisa cresceu os filmes depositando vapor químico em uma folha fina de folha de cobre.

p Eles analisaram algumas amostras de filme enquanto ele estava na folha de cobre, e transferiu outros para o dióxido de silício, o substrato padrão para medições de dispositivo, para teste. Cada amostra foi examinada com espectroscopia Raman e microscopia de tunelamento de varredura (STM) em Columbia, e com feixes de raios-X no SSRL do SLAC, e Fonte de Luz Síncrotron Nacional de Brookhaven (NSLS).

p Os espectros Raman mostraram que o dopante de nitrogênio alterou as propriedades eletrônicas da folha de grafeno sem perturbar sua estrutura básica. As medições de raios-X nas linhas de luz SSRL 10-1 e 13-2 e na linha de luz NSLS U7A indicaram que os átomos de nitrogênio estavam dentro do plano da folha de grafeno e cada um estava ligado a três vizinhos de carbono; em outras palavras, cada átomo de nitrogênio substituiu um carbono na folha.

p Finalmente, as imagens STM mostraram os átomos de nitrogênio como pontos brilhantes na superfície do grafeno. Contando esses pontos, os pesquisadores determinaram que a concentração de dopante de nitrogênio por átomo de carbono variou de 0,23 a 0,35 por cento. As imagens também revelaram que os átomos de nitrogênio saíram da camada de grafeno por cerca de 0,6 Ångstrom, como fariam se tivessem substituído o carbono na rede. Esses resultados foram consistentes com simulações de imagens STM baseadas na teoria.

p O principal autor do artigo foi o estudante de graduação em física da Columbia, Liuyan Zhao, trabalhando no laboratório de Abhay N. Pasupathy, e o trabalho foi realizado em cooperação com o Energy Frontier Research Center em Columbia, que conta com SLAC e Stanford entre seus colaboradores.