Исследование показывает, что метод HyTII обеспечивает высокую степень контроля, включая концентрацию легирования, и впервые демонстрирует контроль глубины имплантации путем легирования одного монослоя графена в двухслойной графеновой стопке. Это дополнительно демонстрирует, что полученные пленки обладают качественными электронными транспортными свойствами, которые можно описать исключительно изменениями в зонной структуре, а не поведением с преобладанием дефектов графеновых пленок, легированных или функционализированных другими методами.
«С момента открытия, что один атомный слой sp2-связанных атомов углерода, называемый графеном, может быть изолирован от массивного графита, появилось множество замечательных электронных и спинтронных свойств», – сказал доктор.
Кори Кресс, инженер по исследованиям материалов, NRL. «Тем не менее, вскоре ожидается несколько приложений, потому что графен не имеет ширины запрещенной зоны и его легирование трудно контролировать, что делает графеновые устройства конкурентоспособными только для узкоспециализированных устройств."
Допинг или химическая функционализация могут добавить полезный транспортный разрыв. Однако эти методы имеют тенденцию производить пленки, которые страдают непреднамеренными дефектами, имеют низкую стабильность или неоднородное покрытие легирующими добавками и функциональными группами, что значительно ограничивает их полезность и ухудшает внутренние желательные свойства графеновой пленки.
В качестве альтернативы ученые NRL использовали свой фон радиационных эффектов для разработки системы гипертермической ионной имплантации с необходимой точностью и контролем для имплантации азота (N +) в графен, добиваясь легирования путем прямого замещения.
«После многих месяцев разработки системы осуществимость техники действительно зависела от первого эксперимента», – сказала Кресс. «В нашем исследовании мы определили диапазон энергий гипертермических ионов, обеспечивающий наибольшую долю легирования азотом при минимизации дефектов, и нам удалось подтвердить присущий процессу HyTII контроль глубины."
Чтобы достичь последнего, ученые реализовали систему двухслойного графенового материала, включающую слой природного графена, в основном состоящего из атомов углерода-12 (12C), наложенный на графен, синтезированный с более чем 99% углерода-13 (13C). Этот двухслойный материал предоставил средства для определения того, какой слой они модифицируют при анализе с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния.
Устройства, изготовленные из пленок, обработанных N + в диапазоне оптимального легирования, демонстрируют переход от сильной локализации к слабой, которая зависит от дозы имплантации, что указывает на способность имплантированного азота изменять внутренние свойства пленки.
Как дальнейшее доказательство высокого электронного качества имплантированных устройств по сравнению с аналогичными устройствами, легированными адатомами, ученые обнаружили, что температурная зависимость может быть описана моделью, которая учитывает как зонные эффекты из-за легирования замещения, так и эффекты, подобные диэлектрику, обусловленные к образованию дефектов, при этом наблюдаемые зонные эффекты являются доминирующим компонентом.
Удивительно, но исследователи обнаружили, что большее количество легирования азотом предотвращает переход к изолирующему поведению вблизи точки зарядовой нейтральности. Дефекты, по-видимому, доминируют в поведении только при больших энергиях имплантации, когда дефекты более вероятны, что дополнительно демонстрирует различия между пленками с истинным легированием и предыдущими дефектными / легированными пленками.
«Наши измерения этих устройств убедительно показывают, что мы наконец-то изготовили графеновую пленку с регулируемой шириной запрещенной зоны, низкой плотностью дефектов и высокой стабильностью», – объясняет доктор. Адам Л. Фридман, физик-исследователь, NRL. «Поэтому мы предполагаем, что графеновые пленки HyTII имеют большой потенциал для электронных или спинтронных приложений для высококачественного графена, где требуются транспорт или запрещенная зона и высокая концентрация носителей."