Molekulare Strukturen heilen epitaktisches Graphen auf Siliziumcarbid
Wissenschaftler der Chalmers University of Technology, Schweden, haben einen Durchbruch bei der Kontrolle der Ladungsträgerdichte in Graphen erzielt. Sie haben eine neuartige Methode zur großflächigen Dotierung von Graphen entdeckt, die es ermöglicht, die Physik am Dirac-Punkt zu untersuchen, wo Graphen ladungsneutral ist und Elektronentransportstudien nicht durch mesoskopische Effekte und Ladungsstörungen verdeckt werden. Die unorthodoxe Methode verwendet Polymere, um die Anordnung von Akzeptormolekülen auf Graphen zu unterstützen.
Eine etablierte Technologie zur Herstellung von hochwertigem Graphen ist die Erwärmung von Siliziumkarbid (SiC) in Gegenwart von inertem Argongas. Unter geeigneten Wachstumsbedingungen führt diese Technik zu so genannten epitaktischen Einschicht-Graphen auf der Oberfläche von Siliziumkarbid (Epigraphen). Im Vergleich zu Graphen, die mit anderen Methoden gezüchtet wurden, wächst Epigraphen als Einkristall über das gesamte Siliziumkarbidsubstrat und erwartet eine höhere elektronische Qualität im Vergleich zu polykristallinem Graphen, das mit anderen Methoden gezüchtet wurde. Bei SiC interagiert die Graphenschicht jedoch sehr stark mit dem Substrat, was zu einem sehr großen Transfer von Elektronen aus SiC in die Graphenschicht führt. Um die Eigenschaften von Graphen vollständig zu erforschen und auszunutzen, bedarf es der Fähigkeit, die Menge der vom Substrat übertragenen Elektronen einzustellen. Für Epigraphen macht es die sehr starke Wechselwirkung zwischen der Graphenschicht und dem SiC-Substrat schwierig, die Menge des Elektronentransfers (d.h. der Dotierung) beliebig zu kontrollieren. Die Unfähigkeit, Epigraphen fein zu dopen, war eine große Herausforderung bei der Erforschung und Nutzung der Eigenschaften dieses vielversprechenden Materials.
Die Wissenschaftler haben ein neuartiges Verfahren entdeckt, um Moleküle auf der Oberfläche von Epigraphen sorgfältig zusammenzusetzen, um sie mit beispiellos hoher Kontrolle unter Beibehaltung ihrer elektronischen Qualität zu dopen. Das Verfahren verwendet Polymere, um die Montage von elektronenannehmenden Molekülen (d.h. Dotierstoffen) auf der Oberfläche von Graphen zu unterstützen; sobald sie mit Graphen in Kontakt kommen, entziehen Dotierstoffmoleküle Elektronen aus Graphen und diese Wechselwirkung hält die Moleküle an ihrem Platz. Um dies zu erreichen, werden Polymere mit Dotierstoffmolekülen vermischt, und diese Mischung wird dann durch einfaches Spin-Coating auf dem Epigraphensubstrat abgeschieden, einem standardisierten und skalierbaren Schritt der Mikrofertigung unter Umgebungsbedingungen.
"Durch die sorgfältige Auswahl des Polymers, des molekularen Dotierstoffs und des Substrats haben wir ziemlich spannende Ergebnisse erzielt. Mit einem einfachen Spin-Coating-Schritt, der Routinearbeit im Reinraum ist, können wir epitaktisches Graphen heilen und ein Zentimeter großes Dirac-Material mit sehr hoher elektronischer Qualität herstellen. Die elektronische Störung, die wir im resultierenden dotierten Graphen messen, ist niedriger als die von mikroskopischen Graphenflocken, die von hexagonalem Bornitrid (hBN) verkapselt sind, dem Verfahren, das bisher zu Graphen höchster Qualität führt", sagt Samuel Lara-Avila vom Quantum Device Physics Laboratory am Department of Microtechnology und Nanoscienc am Chalmers.
"Dies ist ein sehr ungewöhnliches Beispiel für ein sehr einheitliches System, das sich aus der Kombination von "schmutzigen" Elementen ergibt: Epitaktisches Graphen gilt als minderwertiges Material im Vergleich zu exfolierten Graphenflocken, und sowohl Dotierstoffe als auch Polymere verschlechtern bekanntlich die elektronischen Eigenschaften von Graphen. Aber die Kombination ergibt ein Epigrafenmaterial mit hoher Mobilität, das bis zum Dirac-Punkt dotiert ist und eine hohe Gleichmäßigkeit im makroskopischen Maßstab aufweist", ergänzt Sergey Kubatkin, Professor im selben Labor.
Die Forscher verwendeten eine Kombination aus dem gemeinsamen Polymer Polyethylmethacrylat (PMMA) und dem bekannten Akzeptormolekül F4TCNQ, um die Dotierstoffmischung zu bilden. Sie entdeckten, dass, wenn die Dotierstoffmischung auf Epigraphen abgeschieden wird, molekulare Dotierstoffe (z.B. F4TCNQ) durch das Polymer diffundieren und sich spontan an der Epigraphen-Polymer-Grenzfläche zusammensetzen und eine dicht gepackte Schicht aus 3-4 Molekülen pro Quadratnanometer bilden. Überraschenderweise führt diese dichte Anordnung von Molekülen dazu, dass Epigraphen in der Nähe des Dirac-Punktes mit einer außergewöhnlich geringen Ladungsinhomogenität, d.h. Unordnung, dotiert wird.
Mit Epigraphen zeigen diese Ergebnisse gleichzeitig die Wirksamkeit dieser Methode, denn auf SiC gewachsenes epitaktisches Graphen ist besonders schwer zu dopen und behält gleichzeitig seine elektronische Qualität.
"Wir haben einen bedeutenden Fortschritt bei der Annäherung an einen weitgehend unerforschten Bereich der Graphenforschung gemacht - eine Studie über die heiklen, faszinierenden physikalischen Eigenschaften von makroskopischen Graphenproben, die am Dirac-Punkt dotiert sind, bei der die Elektronentransportmessungen nicht durch größeninduzierte mesoskopische Effekte und Ladepfützen verdeckt werden, die typisch für mikroskopische Proben sind", sagt Hans He, Doktorand der Gruppe.
Spontane Montage von molekularen Dotierstoffen (gelbe Kreise) auf Dirac-Kristallen durch Diffusion durch Polymere. Nach der Abscheidung von Polymeren durch Spin-Coating (links) kann die Diffusion von Dotierstoffen in den Polymeren durch thermisches Glühen (Mitte) gesteuert und verfeinert werden, mit einer Temperatur T in der Größenordnung der Glasübergangstemperatur Tg des Polymerspacers. Wenn die Temperatur unter Tg gesenkt wird, bleiben Dotierstoffe auf der Oberfläche des Dirac-Kristalls (rechts) angesammelt. Polymere dienen auch als Verkapselungsschicht und schützen zerbrechliche oder instabile Kristalle vor der Umgebung.
Hans He
Diese Methode kann der Schlüssel zur Erforschung und Nutzung der faszinierenden physikalischen Eigenschaften von Epigraphen und anderen verwandten Dirac-Materialien sein. Während es weltweite Anstrengungen zur Synthese hochwertiger Materialien gibt, führen unbeabsichtigte Verunreinigungen oder schwer zugängliche Stöchiometrie während des Materialwachstums zu stark dotierten Kristallen. In dieser Situation, bei hohen Doping-Werten, kann die interessante Physik von Dirac-Materialien verschleiert werden oder ganz fehlen. Einige weitere Beispiele für neuartige physikalische Effekte, die erwartet werden - ermöglicht durch die neuen Ergebnisse - sind die Untersuchung von Metall-Isolator-Übergängen, interagierende Dirac-Fermionen, Wigner-Kristallisation, die Möglichkeit, die Zitterbewegung von Elektronen in Dirac-Materialien zu beobachten, und Spiegelreflexionen von Andreev unter anderem.
"Das resultierende dotierte Epigraphen ist auch von technologischer Relevanz, und das Material ist in der Quantenwiderstandsmesstechnik, in Lichtsensoren und Magnetsensoren problemlos einsetzbar. Aber die molekulare Montagemethode kann andere Forschungswege eröffnen, indem sie eine andere Kombination von Polymer/Dotierungen verwendet, und auch wenn sie auf andere atomar dünne Materialien angewendet wird", schließt Samuel Lara-Avila.
Originalveröffentlichung
Hans He, Kyung Ho Kim, Andrey Danilov, Domenico Montemurro, Liyang Yu, Yung Woo Park, Floriana Lombardi, Thilo Bauch, Kasper Moth-Poulsen, Tihomir Iakimov, Rositsa Yakimova, Per Malmberg, Christian Müller, Sergey Kubatkin & Samuel Lara-Avila; "Uniform doping of graphene close to the Dirac point by polymer-assisted assembly of molecular dopants"; Nature Comm.; 2018
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