Un gros plan, image tridimensionnelle d'un seul atome d'azote dans une feuille de graphène - un matériau composé d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille. Le plus gros atome d'azote dépasse ses voisins de carbone et contribue environ la moitié de son électron supplémentaire au réseau de graphène, modifier ses propriétés électroniques. L'image a été réalisée avec un microscope à effet tunnel. Image reproduite avec l'aimable autorisation de Science/AAAS
(PhysOrg.com) -- La force, la flexibilité, La transparence et la conductivité électrique élevée du graphène monocouche en font un matériau potentiellement unique et précieux pour la prochaine génération d'appareils électroniques. Composé d'atomes de carbone disposés en nid d'abeilles - pensez à une clôture grillagée - il est transparent à 97% et 1, 000 fois plus résistant que l'acier.
Les chercheurs travaillent sur des moyens d'ajuster les propriétés du graphène pour des applications électroniques spécifiques. Une façon de le faire est le dopage - en introduisant de petites quantités d'autres éléments, comme l'azote ou le phosphore, qui ajoutent ou soustraient des électrons du système. Largement utilisé dans la technologie du silicium, le dopage a été réalisé expérimentalement dans des feuilles de graphène monocouche; mais jusqu'à maintenant, les détails de la façon dont les atomes dopants s'insèrent dans la feuille et se lient à leurs voisins carbonés sont restés insaisissables.
Dans une étude publiée le 9 août dans Science , chercheurs de l'Université de Columbia, L'université de Sejong en Corée et les laboratoires nationaux du SLAC et de Brookhaven ont utilisé une combinaison de quatre techniques pour créer les premières images détaillées d'un film de graphène dopé à l'azote. Ils ont montré que des atomes d'azote individuels avaient pris la place des atomes de carbone dans la feuille bidimensionnelle; qu'environ la moitié de l'électron supplémentaire apporté par chaque atome d'azote était distribuée dans tout le réseau de graphène ; et que cela n'a modifié la structure électronique de la feuille de graphène qu'à une courte distance - environ la largeur de deux atomes de carbone - des atomes de dopant. La capacité de contrôler la structure électronique au niveau atomique a des implications importantes pour le réglage des propriétés électroniques uniques du graphène pour des applications de dispositifs particulières.
« Nous n'essayons pas de travailler sur des systèmes existants et de les améliorer. Nous recherchons de nouvelles directions qui peuvent potentiellement permettre des efficacités beaucoup plus élevées, ", a déclaré la co-auteur de l'article, Theanne Schiros, un scientifique de surface au Centre de recherche Energy Frontier du ministère de l'Énergie à Columbia, qui étudie le graphène comme électrode possible pour de nouveaux dispositifs photovoltaïques.
Cette image montre une zone de graphène qui a été dopée avec des atomes d'azote. De minuscules taches rouges montrent des atomes uniques d'azote qui se sont installés dans le réseau de graphène; puisqu'ils sont un peu plus gros que les atomes de carbone, ils dépassent légèrement au-dessus. Les taches plus grandes sont des amas d'atomes d'azote. L'image a été réalisée avec un microscope à effet tunnel. Image coutesy Science/AAAS
« Maintenant, nous voyons que le dopage est une stratégie qui peut être appliquée au graphène de manière propre et robuste, " dit-elle, fournir un moyen potentiel de créer des films de graphène de haute qualité pour une utilisation dans des applications électroniques, y compris les cellules solaires.
Schiros n'est pas étranger au SLAC, ayant fait son doctorat. travailler ici sous Anders Nilsson. Son travail actuel à Columbia se concentre sur l'utilisation des rayons X provenant de sources de lumière synchrotron pour sonder de nouveaux matériaux à utiliser dans les technologies d'énergie renouvelable.
Pour cette étude, elle est retournée au SLAC pour travailler avec Dennis Nordlund, un scientifique du SLAC Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), où des mises à niveau récentes leur ont permis de numériser automatiquement de nombreux échantillons de films de graphène dopés à l'azote à la fois.
L'équipe de recherche a développé les films en déposant de la vapeur chimique sur une fine feuille de cuivre.
Ils ont analysé des échantillons de film alors qu'il était sur la feuille de cuivre, et transféré d'autres au dioxyde de silicium, le substrat standard pour les mesures d'appareils, pour tester. Chaque échantillon a été examiné par spectroscopie Raman et microscopie à effet tunnel (STM) à Columbia, et avec des faisceaux de rayons X au SSRL du SLAC, et la source de lumière synchrotron nationale de Brookhaven (NSLS).
Les spectres Raman ont montré que le dopant azoté avait modifié les propriétés électroniques de la feuille de graphène sans perturber sa structure de base. Les mesures aux rayons X sur les lignes de lumière SSRL 10-1 et 13-2 et la ligne de lumière NSLS U7A ont indiqué que les atomes d'azote se trouvaient dans le plan de la feuille de graphène et s'étaient chacun liés à trois voisins de carbone ; en d'autres termes, chaque atome d'azote avait remplacé un carbone dans la feuille.
Finalement, les images STM ont montré les atomes d'azote sous forme de points lumineux sur la surface du graphène. En comptant ces taches, les chercheurs ont déterminé que la concentration de dopant azoté par atome de carbone variait de 0,23 à 0,35%. Les images ont également révélé que les atomes d'azote sortaient de la couche de graphène d'environ 0,6 ngstrom, comme ils le feraient s'ils avaient remplacé le carbone dans le réseau. Ces résultats étaient cohérents avec les simulations d'images STM basées sur la théorie.
L'auteur principal de l'article était Liuyan Zhao, étudiant diplômé en physique de Columbia, travaillant dans le laboratoire d'Abhay N. Pasupathy, et le travail a été réalisé en coopération avec l'Energy Frontier Research Center de Columbia, qui compte SLAC et Stanford parmi ses collaborateurs.
