p Uma equipe interdisciplinar de cientistas do Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL), Divisões de Ciência e Tecnologia Eletrônica e Ciência e Tecnologia de Materiais, demonstrou a implantação de íons hipertérmicos (HyTII) como um meio eficaz de dopagem substitutiva do grafeno - uma folha de carbono de espessura atômica única hexagonalmente arranjada - com átomos de nitrogênio. O resultado é um filme de baixo defeito com uma estrutura de banda ajustável que pode ser usada em uma variedade de plataformas e aplicações de dispositivos. p A pesquisa mostra que o método HyTII oferece um alto grau de controle, incluindo concentração de dopagem e, pela primeira vez, demonstra o controle de profundidade de implantação por dopagem de uma única monocamada de grafeno em uma pilha de duas camadas. Isso demonstra ainda que os filmes resultantes têm propriedades de transporte eletrônico de alta qualidade que podem ser descritas apenas por mudanças na estrutura da banda, em vez do comportamento dominado por defeito de filmes de grafeno dopados ou funcionalizados usando outros métodos.

p "Desde a descoberta de que uma única camada atômica de átomos de carbono ligados por sp2, denominado grafeno, pode ser isolado da grafite em massa, uma infinidade de propriedades eletrônicas e spintrônicas notáveis ​​surgiram, "disse o Dr. Cory Cress, engenheiro de pesquisa de materiais, NRL. "Contudo, poucas aplicações estão por vir porque o grafeno carece de um bandgap e seu doping é difícil de controlar, tornando os dispositivos de grafeno competitivos apenas para tecnologias de dispositivos altamente especializadas. "

p Dopagem ou funcionalização química podem adicionar uma lacuna de transporte utilizável. Contudo, esses métodos tendem a produzir filmes que são afetados por defeitos não intencionais, tem baixa estabilidade, ou cobertura não uniforme de dopantes e grupos funcionais, que limitam grandemente sua utilidade e degradam as propriedades intrínsecas desejáveis ​​do filme de grafeno.

p Como uma alternativa, Os cientistas do NRL aproveitaram seu histórico de efeitos de radiação para desenvolver um sistema de implantação de íons hipertérmicos com a precisão e o controle necessários para implantar nitrogênio (N +) no grafeno, obtendo dopagem por substituição direta.

p "Depois de muitos meses de desenvolvimento do sistema, a viabilidade da técnica realmente dependia do primeiro experimento, - disse Cress. - Em nosso estudo, determinamos a gama de energias de íons hipertérmicos que produziram a maior fração de dopagem de nitrogênio, enquanto minimiza defeitos, e tivemos sucesso em confirmar o controle de profundidade inerente do processo HyTII. "

p Para conseguir o último, os cientistas implementaram um sistema de material de grafeno de duas camadas compreendendo uma camada de grafeno natural, com principalmente átomos de carbono-12 (12C), em camadas de grafeno sintetizado com mais de 99 por cento de carbono-13 (13C). Este material de bicamada forneceu um meio de identificar qual camada eles estavam modificando quando analisados ​​com espectroscopia Raman.

p Dispositivos feitos de filmes processados ​​com N + na faixa de dopagem ideal mostram uma transição de localização forte para fraca que depende da dose de implantação, indicando a capacidade do nitrogênio implantado de alterar as propriedades intrínsecas do filme. Conforme evidenciado pela alta qualidade eletrônica dos dispositivos implantados em dispositivos dopados com adatom semelhantes, os cientistas descobriram que a dependência da temperatura pode ser ajustada por um modelo que leva em conta os efeitos da banda devido ao dopagem substitucional e os efeitos do tipo isolante devido à formação de defeitos, com os efeitos de banda observados como sendo o componente dominante.

p Surpreendentemente, os pesquisadores descobriram que uma quantidade maior de dopagem de nitrogênio impede o cruzamento para o comportamento de isolamento próximo ao ponto de neutralidade de carga. Os defeitos parecem dominar o comportamento apenas em grandes energias de implantação, onde os defeitos são mais prováveis, demonstrando ainda as diferenças entre filmes dopados de verdade e filmes defeituosos / dopados anteriores.

p "Nossas medições desses dispositivos indicam fortemente que finalmente fabricamos um filme de grafeno com um bandgap ajustável, baixa densidade de defeito, e alta estabilidade, "explica o Dr. Adam L. Friedman, físico pesquisador, NRL. "Portanto, hipotetizamos que os filmes de grafeno HyTII têm grande potencial para aplicações eletrônicas ou spintrônicas para grafeno de alta qualidade onde um transporte ou bandgap e alta concentração de portadores são desejados."