Le graphène (couche supérieure) est un arrangement hexagonal d'atomes de carbone. Le nitrure de bore hexagonal est un arrangement similaire d'atomes de bore et d'azote dont la constante de réseau n'est que de 1,7% plus grande. Les attributs du nitrure de bore en font un excellent substrat pour préserver les propriétés intrinsèques du graphène.
(PhysOrg.com) -- Le graphène est un nid d'abeilles bidimensionnel de carbone, juste un atome d'épaisseur, dont les propriétés électroniques intrigantes incluent une mobilité électronique très élevée et une résistivité très faible. Le graphène est si sensible à son environnement, cependant, que ces attributs remarquables peuvent être détruits par l'interférence des matériaux à proximité. Trouver le meilleur substrat sur lequel monter le graphène est essentiel si les dispositifs au graphène doivent devenir pratiques.
Groupes dirigés par Michael Crommie et Alex Zettl, des scientifiques de la Division des sciences des matériaux du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du Département de l'énergie des États-Unis et des professeurs de physique à l'Université de Californie à Berkeley, ont uni leurs forces pour examiner les meilleurs candidats substrats pour préserver les propriétés intrinsèques du graphène. Les résultats de leurs recherches sur l'interaction du graphène avec un substrat de nitrure de bore sont récemment apparus dans Lettres nano .
« Tout substrat influence les propriétés du graphène, donc si vous voulez étudier ses propriétés intrinsèques le meilleur moyen est de travailler avec du graphène en suspension, » dit Régis Decker, un ancien post-doctorant du groupe Crommie, maintenant à l'Université de Hambourg, Allemagne, et auteur principal du rapport Nano Letters. « Cependant, le graphène en suspension est assez instable lorsqu'il est étudié avec des techniques de sonde à balayage comme la microscopie à effet tunnel » - STM - « parce que la membrane de graphène peut vibrer sous la pointe. L'idée est donc de trouver un substrat qui imite le cas du graphène en suspension.
Un groupe basé à l'Université de Columbia a rapporté, en octobre 2010, que le graphène supporté sur un substrat de nitrure de bore (BN) avait une mobilité électronique nettement meilleure que le graphène monté sur le substrat semi-conducteur le plus courant, dioxyde de silicium (SiO
Les chercheurs ont déposé des flocons de nitrure de bore sur une couche de dioxyde de silicium, développé sur une couche de silicium dopé. Le silicium dopé a été utilisé comme électrode de grille pour le dopage du graphène lors de la microscopie à effet tunnel. Du graphène a été appliqué à la fois sur les flocons de nitrure de bore (sous la pointe STM) et sur le dioxyde de silicium nu; le graphène (violet foncé et violet clair) était mis à la terre par une électrode en or/titane (or). Le STM pouvait balayer les deux systèmes de substrats.
« Le groupe Columbia a montré que la mobilité des électrons du graphène sur le nitrure de bore est bien meilleure que celle du graphène sur le dioxyde de silicium, mais il y avait beaucoup de questions auxquelles leurs mesures macroscopiques n'ont pas répondu, », explique Yang Wang du groupe Crommie, co-auteur principal du rapport Nano Letters. Les groupes Crommie et Zettl ont comparé les deux systèmes côte à côte pour découvrir pourquoi le nitrure de bore fonctionne si bien. "Pour étudier le BN à l'échelle atomique, nous avons utilisé STM pour construire une image de la topographie du système et mesurer ses états électroniques locaux."
À la recherche de ce qui rend le nitrure de bore spécial
dit Decker, « Pour qu'un système à substrat de graphène puisse imiter le graphène en suspension, le substrat a besoin d'une large bande interdite électronique et d'aucune liaison pendante, afin d'éviter tout changement dans la structure électronique du graphène. Le substrat devrait également être très plat, comme le serait le graphène en suspension. Le nitrure de bore est un bon candidat car il remplit ces exigences.
Ce qui a d'abord attiré les chercheurs vers le potentiel du nitrure de bore en tant que substrat de graphène, ce sont ses propriétés structurelles inhabituelles. Dans sa structure hexagonale (h-BN), les atomes d'azote et de bore en alternance imitent étroitement la façon dont les atomes de carbone sont disposés dans le graphène. Les atomes de bore et d'azote dans les composés BN sont appariés de manière égale, et ensemble leurs électrons de valence (trois et cinq, respectivement) égales à celles d'une paire d'atomes de carbone (quatre chacun). Bien que le réseau h-BN soit environ 1,7% plus grand que celui du graphène et ne lui correspond pas, les deux nids d'abeilles posés l'un sur l'autre peuvent être alignés beaucoup plus étroitement que le graphène sur du dioxyde de silicium. Contrairement au graphène, qui n'a normalement pas de bande interdite, h-BN a une large bande interdite, en raison de l'alternance d'atomes de bore et d'azote dans son réseau.
Pour créer des dispositifs graphène/BN, le groupe Zettl a d'abord réduit les cristaux de nitrure de bore en minuscules flocons par la méthode éprouvée de les « exfolier » entre des bandes de scotch. Les paillettes de BN ont été déposées sur une couche de SiO
Qiong Wu du groupe Crommie a créé du graphène au moyen d'un dépôt chimique en phase vapeur sur du cuivre; sur cuivre, les atomes de carbone s'auto-assemblent en un réseau en nid d'abeille d'une épaisseur d'un seul atome. Les feuilles de graphène ont été transférées du cuivre au plastique souple, puis placées sur les flocons de nitrure de bore en pressant le plastique sur le BN. L'ensemble a été recuit à haute température.
La couche de graphène a été mise à la terre en déposant une électrode en or titane dessus. Trois systèmes graphène/BN ont été fabriqués de cette façon, prêt pour des comparaisons STM directes avec du graphène sur du dioxyde de silicium. La pointe STM pourrait balayer la couche de graphène, mesurer la topographie et les concentrations de charges locales à divers niveaux de dopage déterminés par l'électrode de grille en couche de silicium.
Nitrure de bore versus dioxyde de silicium
« On pensait que deux ou trois choses interféraient avec la mobilité des électrons dans le graphène sur le dioxyde de silicium, », explique Victor Brar du groupe Crommie. "L'un est constitué d'impuretés qui dopent le graphène et modifient localement la concentration des charges."
Un moyen sûr de raccourcir le libre parcours moyen des électrons (ou leurs homologues chargés positivement, absences d'électrons appelées trous) est de parsemer le chemin d'obstacles appelés flaques de charge, qui sont des fluctuations des concentrations locales de charge. En graphène sur SiO
« Nous avions précédemment étudié en détail les propriétés des systèmes graphène/dioxyde de silicium, " dit Michael Crommie, « et a montré que les flaques de charge ne sont pas causées par des ondulations ou des ondulations dans la feuille de graphène, comme cela avait été suggéré, mais plutôt par des impuretés sous la couche de graphène.
Les résultats de la mesure du graphène sur un substrat de nitrure de bore sont à gauche, graphène sur dioxyde de silicium à droite. Le STM a cartographié à la fois la topographie des systèmes (arrière) et les densités de charges locales (avant). Le graphène sur nitrure de bore est extraordinairement plat, et l'inhomogénéité des états de charge locaux est considérablement réduite par rapport au dioxyde de silicium.
Une source de ces impuretés pourrait être une matière étrangère piégée entre le graphène et le substrat lorsque la couche de graphène est appliquée. De minuscules bulles d'air ou des molécules d'eau ou d'autres matières étrangères pourraient agir comme dopants.
« Quand nous avons fabriqué le graphène sur des appareils au nitrure de bore, nous avons recherché des impuretés atmosphériques, mais nous n'avons vu aucune preuve de leurs effets, " dit Brar. « Pour fabriquer des appareils pratiques en graphène, c'est une bonne nouvelle, car cela signifie qu'ils n'ont pas besoin d'être assemblés dans le vide.
Une autre source de dopage au graphène et des concentrations de charges subséquentes sont les liaisons pendantes dans le substrat. Un électron de valence disponible pour se lier à un autre atome est une recette pour la réactivité chimique, et le dioxyde de silicium a une forte concentration de liaisons pendantes. Nitrure de bore, cependant, n'a pas d'électrons restants pour former des liaisons pendantes.
Les comparaisons STM des deux systèmes ont clairement montré les différences entre eux. Topographiquement, le graphène sur nitrure de bore est beaucoup moins rugueux que le graphène sur silicium, avec des différences de hauteur sur les surfaces balayées atteignant seulement environ 40 picomètres (billionièmes de mètre). Les différences de hauteur avec le substrat en dioxyde de silicium étaient jusqu'à 30 fois plus importantes.
Electroniquement, les variations de densité de charge ont été considérablement réduites dans le substrat BN. Par rapport aux valeurs presque constantes du système de nitrure de bore, les graphiques des systèmes de dioxyde de silicium ressemblent à des peintures à champ de couleur de l'art moderne.
Finalement, Decker dit, « parce que sa constante de réseau est très proche de celle du graphène, les théoriciens ont prédit que cela induit une bande interdite dans le graphène, ce qui serait intéressant pour les applications » - sinon pour le maintien des propriétés intrinsèques du graphène. Le groupe Crommie a étudié comment les propriétés électroniques pouvaient varier en fonction de l'orientation de la feuille de graphène sur le substrat de nitrure de bore. Les deux, des réseaux pas tout à fait proportionnés trahissaient leur alignement en présentant des motifs de moirage changeants avec des orientations différentes.
dit Wang, « Nous avons vu de nombreux alignements différents, y compris des alignements presque parfaits. Mais le graphène n'a toujours pas montré de bande interdite. la façon dont le graphène est orienté sur un substrat de nitrure de bore ne fait aucune différence détectable dans ses excellentes propriétés électroniques.
Michael Crommie dit, « Le système graphène/BN est vraiment beaucoup plus agréable que tout autre substrat pour une gamme d'applications. Il y a beaucoup moins d'impuretés, beaucoup moins d'inhomogénéité de charge, beaucoup moins de bosses, et beaucoup plus de stabilité - en tout, un environnement beaucoup plus propre pour étudier les propriétés intrinsèques du graphène. Le nitrure de bore est un système vraiment fabuleux pour les appareils pratiques au graphène.
