p (Phys.org) - Pesquisadores usando raios-x para estudar uma camada de carbono com um único átomo de espessura, chamado grafeno, aprenderam novas informações sobre sua ligação atômica e propriedades eletrônicas quando o material é "dopado" com átomos de nitrogênio. Eles mostram que as técnicas de raios-x síncrotron podem ser excelentes ferramentas para estudar e compreender melhor o comportamento do grafeno dopado, que está sendo considerado para uso como um material de contato promissor em dispositivos eletrônicos devido às suas muitas características desejáveis, incluindo uma alta condutividade e, mais notavelmente, propriedades eletrônicas ajustáveis. p Dopagem de grafeno com pequenas quantidades de outro elemento, como nitrogênio ou boro, transforma-o em um material "tipo n" (com excesso de portadores de carga negativa, isto é, elétrons) ou um material "tipo p" (tendo excesso de portadores de carga positiva, isto é, lacunas de elétrons chamadas "lacunas"). Desta maneira, o doping permite que os cientistas "sintonizem" suas propriedades, incluindo os tipos de ligações entre os átomos e como os portadores de carga são distribuídos. Esse tipo de controle é fundamental ao desenvolver um material com aplicações específicas em mente. Um exemplo semelhante é o dopagem de silício usado em sistemas fotovoltaicos à base de silício; na verdade, o grafeno dopado está sendo examinado quanto ao seu uso potencial como material de contato em células solares (entre suas muitas qualidades adequadas para tal função está sua transparência à luz visível, um recurso necessário para um contato elétrico de célula solar).

p Nesse trabalho, os pesquisadores descobriram que vários tipos de ligações podem estar presentes entre os átomos de carbono e nitrogênio, mesmo dentro da mesma folha de grafeno. Isso resulta em efeitos profundamente diferentes na concentração do transportador de carga na folha, o que não é ideal.

p "Nossas descobertas indicam que o controle dos tipos de ligação no grafeno dopado quimicamente será uma parte crucial do ajuste de suas propriedades para uma aplicação específica e do avanço da eletrônica à base de grafeno em geral, "disse Theanne Schiros, o cientista correspondente do estudo, que é pesquisador do Energy Frontier Research Center da Columbia University. Ela também é a autora principal do artigo publicado correspondente em Nano Letras .

p Os co-autores do artigo incluem colegas da Universidade de Columbia, bem como do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), CNR-Nanoscience Institute (Itália), Universidade Sejong (Coréia), o Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia, Universidade de Estocolmo (Suécia), e Laboratório Nacional de Brookhaven.

p Os dados de raios-x do grupo mostram que, embora seja possível criar grafeno do tipo n - em que um único átomo de nitrogênio substitui um único átomo de carbono, chamada de ligação grafítica - até três tipos de ligação podem ser observados em uma única folha, dependendo das condições de processamento e crescimento. Elas correspondem às três maneiras pelas quais um átomo de nitrogênio e um átomo de carbono podem compartilhar elétrons.

p Os efeitos de cada tipo na estrutura eletrônica do grafeno são bastante diferentes. Por exemplo, átomos de nitrogênio que formam uma ligação "grafítica" com átomos de carbono, o que significa que o nitrogênio e o carbono compartilham dois elétrons, tendem a aumentar o número de portadores de carga no material. Ligações "piridínicas" e "nitrílicas", por outro lado, tendem a retirar os portadores de carga da rede de carbono.

p Na linha de luz NSLS U7A e nas linhas de luz SSRL 10-1 e 13-2, Schiros e seu grupo empregaram três técnicas de raios-X para estudar suas amostras de grafeno:espectroscopia de fotoelétrons de raios-X (XPS), espectroscopia de absorção de raios-X (XAS), e espectroscopia de emissão de raios-X (XES). Cada um funciona tirando proveito de uma maneira pela qual os raios-x podem interagir com uma amostra, portanto, cada um fornece informações exclusivas sobre essa amostra.

p O XPS mede o número e as energias dos elétrons que escapam da superfície de uma amostra quando ela é iluminada com raios-x, e, portanto, fornece informações sobre a concentração elementar e energias de ligação, que refletem o ambiente de ligação química local. O XAS fornece informações diretas sobre o tipo de ligação entre os átomos de nitrogênio e carbono, a orientação desse vínculo, e os orbitais moleculares desocupados formados entre os átomos dopantes e hospedeiros. XES fornece complementos, informações específicas do átomo sobre os níveis de energia de elétrons ocupados perto do "nível de Fermi, "que desempenha um papel fundamental no comportamento eletrônico do grafeno.

p Quando combinado com cálculos teóricos, as três técnicas fornecem uma imagem clara do papel dos dopantes no comportamento eletrônico do grafeno.

p Esta pesquisa foi publicada em 29 de junho, 2012, edição online de Nano Letras .