Os pesquisadores estão criando junções de grafeno p-n transferindo filmes do material eletrônico para substratos que foram padronizados por compostos que são fortes doadores de elétrons ou aceitadores de elétrons.

As propriedades eletrônicas dos filmes de grafeno são diretamente afetadas pelas características dos substratos nos quais são cultivados ou para os quais são transferidos. Os pesquisadores estão aproveitando isso para criar junções de grafeno p-n transferindo filmes do material eletrônico promissor para substratos que foram padronizados por compostos que são fortes doadores de elétrons ou aceitadores de elétrons.

Uma temperatura baixa, Um método controlável e estável foi desenvolvido para dopar filmes de grafeno usando monocamadas automontadas (SAM) que modificam a interface do grafeno e seu substrato de suporte. Usando este conceito, uma equipe de pesquisadores do Georgia Institute of Technology criou junções de grafeno p-n - que são essenciais para a fabricação de dispositivos - sem danificar a estrutura da rede do material ou reduzir significativamente a mobilidade elétron / buraco.

O grafeno foi cultivado em um filme de cobre usando deposição química de vapor (CVD), um processo que permite a síntese de filmes em grande escala e sua transferência para substratos desejados para aplicações de dispositivos. Os filmes de grafeno foram transferidos para substratos de dióxido de silício que foram funcionalizados com as monocamadas automontadas.

Informações sobre a criação de junções de grafeno p-n usando monocamadas automontadas foram apresentadas em 28 de novembro de 2012 no Encontro de Outono da Sociedade de Pesquisa de Materiais. Artigos descrevendo aspectos do trabalho também foram publicados em setembro de 2012 nas revistas ACS Materiais Aplicados e Interfaces e a Journal of Physical Chemistry C . O financiamento para a pesquisa veio da National Science Foundation, por meio do Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais da Geórgia (MRSEC) e por meio de bolsas de pesquisa separadas.

"Temos sido bem-sucedidos em mostrar que você pode fazer o grafeno do tipo p e do tipo n razoavelmente bem dopado de maneira controlável, padronizando a monocamada subjacente em vez de modificar o grafeno diretamente, "disse Clifford Henderson, professor da Georgia Tech School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Colocar grafeno no topo de monocamadas auto-montadas usa o efeito da doação de elétrons ou retirada de elétrons de debaixo do grafeno para modificar as propriedades eletrônicas do material."

A equipe de pesquisa da Georgia Tech que trabalha no projeto inclui membros do corpo docente, bolsistas de pós-doutorado e alunos de pós-graduação de três escolas diferentes. Além de Henderson, os professores que fazem parte da equipe incluem Laren Tolbert da Escola de Química e Bioquímica e Samuel Graham da Woodruff School of Mechanical Engineering. A equipe do projeto também inclui Hossein Sojoudi, um pós-doutorado, e José Baltazar, um assistente de pesquisa de pós-graduação.

A criação de dopagem do tipo n e do tipo p no grafeno - que não possui bandgap natural - levou ao desenvolvimento de várias abordagens. Os cientistas substituíram alguns átomos de carbono por átomos de nitrogênio na estrutura do grafeno, compostos foram aplicados à superfície do grafeno, e as bordas das nanofitas de grafeno foram modificadas. Contudo, a maioria dessas técnicas tem desvantagens, incluindo a interrupção da rede - o que reduz a mobilidade do elétron - e problemas de estabilidade de longo prazo.

"Sempre que você coloca o grafeno em contato com um substrato de qualquer tipo, o material tem uma tendência inerente de alterar suas propriedades elétricas, "Henderson disse." Nós nos perguntamos se poderíamos fazer isso de uma forma controlada e usá-lo em nossa vantagem para tornar o material predominantemente tipo n ou tipo p. Isso poderia criar um efeito de dopagem sem introduzir defeitos que perturbariam a atraente mobilidade de elétrons do material. "

Usando técnicas convencionais de litografia, os pesquisadores criaram padrões de diferentes materiais de silano em um substrato dielétrico, geralmente óxido de silício. Os materiais foram escolhidos porque são fortes doadores de elétrons ou aceitadores de elétrons. Quando uma fina película de grafeno é colocada sobre os padrões, os materiais subjacentes criam seções carregadas no grafeno que correspondem à padronização.

"Conseguimos dopar o grafeno em materiais do tipo n e do tipo p por meio de uma doação de elétrons ou efeito de retirada da monocamada, "Henderson explicou." Isso não leva aos defeitos de substituição que são vistos em muitos dos outros processos de dopagem. A estrutura do grafeno em si ainda está intocada, pois chega até nós no processo de transferência. "

As monocamadas são ligadas ao substrato dielétrico e são termicamente estáveis ​​até 200 graus Celsius com o filme de grafeno sobre elas, Sojoudi observou. A equipe da Georgia Tech usou 3-aminopropiltrietoxissilano (APTES) e perfluorooctiltrietoxissilano (PFES) para padronização. Em princípio, Contudo, há muitos outros materiais disponíveis no mercado que também podem criar os padrões.

"Você pode construir quantas regiões do tipo n e do tipo p desejar, "Sojoudi disse." Você pode até aumentar e diminuir o doping de forma controlada. Essa técnica dá a você controle sobre o nível de dopagem e qual é o portador dominante em cada região. "

Os pesquisadores usaram sua técnica para fabricar junções de grafeno p-n, o que foi verificado pela criação de transistores de efeito de campo (FET). As curvas características I-V indicaram a presença de dois pontos Dirac separados, que indicou uma separação de energia de pontos de neutralidade entre as regiões p e n no grafeno, Sojoudi disse.

O grupo usa deposição química de vapor para criar filmes finos de grafeno em folha de cobre. Um filme espesso de PMMA foi revestido por rotação sobre o grafeno, e o cobre subjacente foi então removido. O polímero serve como um carreador para o grafeno até que ele possa ser colocado no substrato revestido de monocamada, após o qual é removido.

Além de desenvolver as técnicas de doping, a equipe também está explorando novos materiais precursores que podem permitir a produção de grafeno CVD em temperaturas baixas o suficiente para permitir a fabricação diretamente em outros dispositivos. Isso poderia eliminar a necessidade de transferir o grafeno de um substrato para outro.

De baixo custo, meios de produção de grafeno em baixa temperatura também podem permitir que os filmes encontrem aplicações mais amplas em monitores, células solares e diodos emissores de luz orgânicos, onde grandes folhas de grafeno seriam necessárias.

"O verdadeiro objetivo é encontrar maneiras de fazer grafeno em temperaturas mais baixas e de maneiras que nos permitam integrá-lo a outros dispositivos, ou CMOS de silício ou outros materiais que não podiam tolerar as altas temperaturas necessárias para o crescimento inicial, "Henderson disse." Estamos procurando maneiras de transformar o grafeno em um material eletrônico ou optoeletrônico útil em baixas temperaturas e em formas padronizadas. "