(Phys.org) - Des chercheurs utilisant des rayons X pour étudier une couche de carbone d'un seul atome d'épaisseur, appelé graphène, ont appris de nouvelles informations sur sa liaison atomique et ses propriétés électroniques lorsque le matériau est "dopé" avec des atomes d'azote. Ils montrent que les techniques de rayonnement X synchrotron peuvent être d'excellents outils pour étudier et mieux comprendre le comportement du graphène dopé, qui est envisagé pour être utilisé comme matériau de contact prometteur dans les appareils électroniques en raison de ses nombreuses caractéristiques souhaitables, y compris une conductivité élevée et, notamment, propriétés électroniques réglables.

Dopage du graphène avec de petites quantités d'un autre élément, comme l'azote ou le bore, le transforme en un matériau "de type n" (ayant un excès de porteurs de charge négatifs, c'est-à-dire des électrons) ou un matériau "de type p" (ayant un excès de porteurs de charge positifs, c'est-à-dire des lacunes d'électrons appelées "trous"). De cette façon, le dopage permet aux scientifiques d'"ajuster" ses propriétés, y compris les types de liaisons entre les atomes et la façon dont les porteurs de charge sont distribués. Ce type de contrôle est essentiel lors du développement d'un matériau avec des applications spécifiques à l'esprit. Un exemple similaire est le dopage du silicium utilisé dans le photovoltaïque à base de silicium; En effet, le graphène dopé est à l'étude pour son utilisation potentielle comme matériau de contact dans les cellules solaires (parmi ses nombreuses qualités appropriées pour un tel rôle est sa transparence à la lumière visible, une caractéristique nécessaire pour un contact électrique de cellule solaire).

Dans ce travail, les chercheurs ont découvert que plusieurs types de liaisons peuvent être présents entre les atomes de carbone et d'azote, même au sein de la même feuille de graphène. Cela se traduit par des effets profondément différents sur la concentration de porteurs de charge à travers la feuille, ce qui n'est pas idéal.

"Nos résultats indiquent que le contrôle des types de liaisons dans le graphène dopé chimiquement sera un élément crucial pour adapter ses propriétés à une application particulière et faire progresser l'électronique à base de graphène en général, " a déclaré Théanne Schiros, le scientifique correspondant de l'étude, qui est chercheur à l'Energy Frontier Research Center de l'Université Columbia. Elle est également l'auteur principal de l'article publié correspondant dans Lettres nano .

Les co-auteurs de l'article comprennent des collègues de l'Université de Columbia ainsi que la Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), CNR-Institut des nanosciences (Italie), Université de Sejong (Corée), l'Institut national des normes et de la technologie, Université de Stockholm (Suède), et Laboratoire national de Brookhaven.

Les données radiographiques du groupe montrent que s'il est possible de créer du graphène de type n - dans lequel un seul atome d'azote remplace un seul atome de carbone, appelé liaison graphitique - jusqu'à trois types de liaison peuvent être observés dans une seule feuille en fonction des conditions de traitement et de croissance. Ceux-ci correspondent aux trois façons dont un atome d'azote et un atome de carbone peuvent partager des électrons.

Les effets de chaque type sur la structure électronique du graphène sont assez différents. Par exemple, des atomes d'azote qui forment une liaison "graphitique" avec des atomes de carbone, c'est-à-dire que l'azote et le carbone partagent deux électrons, ont tendance à augmenter le nombre de porteurs de charge dans le matériau. Liaisons « pyridiniques » et « nitriliques », d'autre part, ont tendance à retirer les porteurs de charge du réseau de carbone.

Sur les lignes U7A et SSRL 10-1 et 13-2 du NSLS, Schiros et son groupe ont utilisé trois techniques de rayons X pour étudier leurs échantillons de graphène :la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS), et la spectroscopie d'émission de rayons X (XES). Chacun fonctionne en tirant parti d'une manière dont les rayons X peuvent interagir avec un échantillon, par conséquent, chacun fournit des informations uniques sur cet échantillon.

XPS mesure le nombre et les énergies des électrons qui s'échappent de la surface d'un échantillon lorsqu'il est illuminé par des rayons X, et fournit donc des informations sur la concentration élémentaire et les énergies de liaison, qui reflètent l'environnement de liaison chimique locale. XAS fournit des informations directes sur le type de liaison entre les atomes d'azote et de carbone, l'orientation de cette liaison, et les orbitales moléculaires inoccupées formées entre les atomes dopants et hôtes. XES fournit des compléments, des informations spécifiques à l'atome sur les niveaux d'énergie des électrons occupés près du "niveau de Fermi, " qui joue un rôle clé dans le comportement électronique du graphène.

Lorsqu'il est combiné avec des calculs théoriques, les trois techniques donnent une image claire du rôle des dopants dans le comportement électronique du graphène.

Cette recherche est publiée dans le 29 juin 2012, édition en ligne de Lettres nano .