03.11.2021 - Columbia University

Forscher kommen der Kontrolle von zweidimensionalem Graphen näher

Das Gerät, auf dem Sie gerade diesen Artikel lesen, ist das Ergebnis der Siliziumrevolution. Um moderne elektrische Schaltkreise zu bauen, steuern Forscher die stromleitenden Fähigkeiten von Silizium durch Dotierung. Dabei handelt es sich um einen Prozess, bei dem entweder negativ geladene Elektronen oder positiv geladene "Löcher" an die Stelle der früheren Elektronen treten. Auf diese Weise lässt sich der Stromfluss steuern, und bei Silizium werden andere atomare Elemente, die Elektronen ausgleichen können - so genannte Dotierstoffe - in das dreidimensionale (3D-)Atomgitter injiziert.

Das 3D-Gitter von Silizium ist jedoch zu groß für die Elektronik der nächsten Generation, zu der ultradünne Transistoren, neue Geräte für die optische Kommunikation und flexible Biosensoren gehören, die im menschlichen Körper getragen oder implantiert werden können. Um die Dinge zu verschlanken, experimentieren Forscher mit Materialien, die nicht dicker sind als ein einzelnes Blatt aus Atomen, wie Graphen. Doch die bewährte Methode zur Dotierung von 3D-Silizium funktioniert nicht mit 2D-Graphen, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die normalerweise keinen Strom leitet.

Anstatt Dotierstoffe zu injizieren, haben die Forscher versucht, eine "Ladungsübertragungsschicht" aufzutragen, die dem Graphen Elektronen hinzufügen oder entziehen soll. Bei früheren Methoden wurden jedoch "schmutzige" Materialien für die Ladungsübertragungsschichten verwendet, deren Verunreinigungen das Graphen ungleichmäßig dotieren und seine Fähigkeit, Strom zu leiten, beeinträchtigen würden.

Eine neue Studie, die in Nature Electronics veröffentlicht wurde, schlägt nun einen besseren Weg vor. Ein interdisziplinäres Forscherteam unter der Leitung von James Hone und James Teherani von der Columbia University und Won Jong Yoo von der Sungkyungkwan University in Korea beschreibt eine saubere Technik zur Dotierung von Graphen über eine Ladungstransferschicht aus Wolframoxyselenid (TOS) von geringer Reinheit.

Das Team erzeugte die neue "saubere" Schicht durch Oxidation einer einzelnen Atomschicht eines anderen 2D-Materials, Wolframselenid. Als TOS auf Graphen geschichtet wurde, stellte das Team fest, dass das Graphen mit elektrisch leitenden Löchern durchsetzt war. Diese Löcher konnten fein abgestimmt werden, um die stromleitenden Eigenschaften des Materials besser zu kontrollieren, indem einige Atomlagen Wolframselenid zwischen TOS und Graphen eingefügt wurden.

Die Forscher fanden heraus, dass die elektrische Mobilität von Graphen, d. h. wie leicht sich Ladungen durch das Material bewegen, mit ihrer neuen Dotierungsmethode höher war als bei früheren Versuchen. Durch das Hinzufügen von Wolframselenid-Abstandshaltern wurde die Mobilität weiter erhöht, bis zu dem Punkt, an dem der Effekt des TOS vernachlässigbar wird, so dass die Mobilität durch die intrinsischen Eigenschaften des Graphens selbst bestimmt wird. Diese Kombination aus hoher Dotierung und hoher Mobilität verleiht Graphen eine höhere elektrische Leitfähigkeit als hochleitende Metalle wie Kupfer und Gold.

Während das dotierte Graphen die Elektrizität besser leitete, wurde es auch transparenter, so die Forscher. Dies ist auf die Pauli-Blockade zurückzuführen, ein Phänomen, bei dem durch Dotierung manipulierte Ladungen das Material daran hindern, Licht zu absorbieren. Bei den in der Telekommunikation verwendeten Infrarot-Wellenlängen wurde das Graphen zu mehr als 99 Prozent transparent. Ein hohes Maß an Transparenz und Leitfähigkeit ist entscheidend für die Übertragung von Informationen durch lichtbasierte photonische Geräte. Wenn zu viel Licht absorbiert wird, gehen Informationen verloren. Das Team stellte fest, dass der Verlust bei TOS-dotiertem Graphen viel geringer ist als bei anderen Leitern, was darauf hindeutet, dass diese Methode das Potenzial für ultraeffiziente photonische Geräte der nächsten Generation haben könnte.

"Dies ist ein neuer Weg, die Eigenschaften von Graphen nach Bedarf anzupassen", sagte Hone. "Wir haben gerade erst damit begonnen, die Möglichkeiten dieser neuen Technik zu erforschen".

Eine vielversprechende Richtung ist es, die elektronischen und optischen Eigenschaften von Graphen zu verändern, indem man das Muster des TOS verändert, und elektrische Schaltkreise direkt auf das Graphen selbst zu prägen. Das Team arbeitet auch daran, das dotierte Material in neuartige photonische Bauelemente zu integrieren, die in transparenter Elektronik, Telekommunikationssystemen und Quantencomputern eingesetzt werden könnten.

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