Les chercheurs créent des jonctions p-n de graphène en transférant des films du matériel électronique sur des substrats qui ont été modelés par des composés qui sont soit de puissants donneurs d'électrons, soit des accepteurs d'électrons.

Les propriétés électroniques des films de graphène sont directement affectées par les caractéristiques des substrats sur lesquels ils sont développés ou sur lesquels ils sont transférés. Les chercheurs en profitent pour créer des jonctions p-n de graphène en transférant des films du matériau électronique prometteur sur des substrats qui ont été modelés par des composés qui sont soit de puissants donneurs d'électrons, soit des accepteurs d'électrons.

Une température basse, Une méthode contrôlable et stable a été développée pour doper des films de graphène à l'aide de monocouches auto-assemblées (SAM) qui modifient l'interface du graphène et de son substrat de support. En utilisant ce concept, une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology a créé des jonctions p-n de graphène - qui sont essentielles à la fabrication de dispositifs - sans endommager la structure en réseau du matériau ni réduire de manière significative la mobilité électron/trou.

Le graphène a été cultivé sur un film de cuivre par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), un processus qui permet la synthèse de films à grande échelle et leur transfert vers les substrats souhaités pour les applications de dispositifs. Les films de graphène ont été transférés sur des substrats de dioxyde de silicium qui ont été fonctionnalisés avec les monocouches auto-assemblées.

Des informations sur la création de jonctions p-n de graphène à l'aide de monocouches auto-assemblées ont été présentées le 28 novembre 2012 à la réunion d'automne de la Materials Research Society. Des articles décrivant des aspects du travail ont également été publiés en septembre 2012 dans les revues ACS Matériaux appliqués et interfaces et le Journal de chimie physique C . Le financement de la recherche provient de la National Science Foundation, par le biais du Georgia Tech Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) et par le biais de subventions de recherche distinctes.

"Nous avons réussi à montrer que vous pouvez fabriquer du graphène de type p et de type n assez bien dopé de manière contrôlée en modelant la monocouche sous-jacente au lieu de modifier le graphène directement, " a déclaré Clifford Henderson, professeur à la Georgia Tech School of Chemical &Biomolecular Engineering. « Mettre du graphène au-dessus de monocouches auto-assemblées utilise l'effet du don d'électrons ou du retrait d'électrons sous le graphène pour modifier les propriétés électroniques du matériau. »

L'équipe de recherche de Georgia Tech travaillant sur le projet comprend des membres du corps professoral, stagiaires postdoctoraux et étudiants diplômés de trois écoles différentes. En plus d'Henderson, les professeurs qui font partie de l'équipe comprennent Laren Tolbert de l'École de chimie et de biochimie et Samuel Graham de la Woodruff School of Mechanical Engineering. L'équipe du projet comprend également Hossein Sojoudi, un stagiaire postdoctoral, et José Baltazar, un assistant de recherche diplômé.

La création de dopage de type n et de type p dans le graphène - qui n'a pas de bande interdite naturelle - a conduit au développement de plusieurs approches. Les scientifiques ont substitué des atomes d'azote à certains des atomes de carbone dans le réseau de graphène, composés ont été appliqués à la surface du graphène, et les bords des nanorubans de graphène ont été modifiés. Cependant, la plupart de ces techniques présentent des inconvénients, y compris la perturbation du réseau - qui réduit la mobilité des électrons - et les problèmes de stabilité à long terme.

"Chaque fois que vous mettez du graphène en contact avec un substrat de quelque nature que ce soit, le matériau a une tendance inhérente à modifier ses propriétés électriques, " a déclaré Henderson. "Nous nous sommes demandé si nous pouvions le faire de manière contrôlée et l'utiliser à notre avantage pour rendre le matériau principalement de type n ou de type p. Cela pourrait créer un effet de dopage sans introduire de défauts qui perturberaient la mobilité électronique attractive du matériau."

En utilisant les techniques conventionnelles de lithographie, les chercheurs ont créé des motifs à partir de différents matériaux de silane sur un substrat diélectrique, généralement de l'oxyde de silicium. Les matériaux ont été choisis parce qu'ils sont soit de puissants donneurs d'électrons, soit des accepteurs d'électrons. Lorsqu'un film mince de graphène est placé sur les motifs, les matériaux sous-jacents créent des sections chargées dans le graphène qui correspondent au motif.

"Nous avons pu doper le graphène dans des matériaux de type n et de type p grâce à un effet de don ou de retrait d'électrons de la monocouche, " a expliqué Henderson. " Cela ne conduit pas aux défauts de substitution que l'on observe avec de nombreux autres processus de dopage. La structure du graphène elle-même est encore vierge car elle nous parvient dans le processus de transfert."

Les monocouches sont liées au substrat diélectrique et sont thermiquement stables jusqu'à 200 degrés Celsius avec le film de graphène dessus, a noté Sojoudi. L'équipe de Georgia Tech a utilisé du 3-aminopropyltriéthoxysilane (APTES) et du perfluorooctyltriéthoxysilane (PFES) pour la structuration. En principe, cependant, il existe de nombreux autres matériaux disponibles dans le commerce qui pourraient également créer les motifs.

"Vous pouvez créer autant de régions de type n et de type p que vous le souhaitez, " a déclaré Sojoudi. " Vous pouvez même augmenter et diminuer le dopage de manière contrôlable. Cette technique vous permet de contrôler le niveau de dopage et quel est le porteur dominant dans chaque région."

Les chercheurs ont utilisé leur technique pour fabriquer des jonctions p-n de graphène, ce qui a été vérifié par la création de transistors à effet de champ (FET). Les courbes I-V caractéristiques indiquent la présence de deux points de Dirac distincts, qui indiquait une séparation énergétique des points de neutralité entre les régions p et n dans le graphène, dit Sojoudi.

Le groupe utilise le dépôt chimique en phase vapeur pour créer de minces films de graphène sur une feuille de cuivre. Un film épais de PMMA a été déposé par centrifugation sur le graphène, et le cuivre sous-jacent a ensuite été retiré. Le polymère sert de support pour le graphène jusqu'à ce qu'il puisse être placé sur le substrat revêtu d'une monocouche, après quoi il est supprimé.

Au-delà du développement des techniques de dopage, l'équipe explore également de nouveaux matériaux précurseurs qui pourraient permettre la production CVD de graphène à des températures suffisamment basses pour permettre la fabrication directement sur d'autres appareils. Cela pourrait éliminer le besoin de transférer le graphène d'un substrat à un autre.

Un petit prix, des moyens de production de graphène à basse température pourraient également permettre aux films de trouver des applications plus larges dans les écrans, cellules solaires et diodes électroluminescentes organiques, où de grandes feuilles de graphène seraient nécessaires.

"Le véritable objectif est de trouver des moyens de fabriquer du graphène à des températures plus basses et de manière à nous permettre de l'intégrer à d'autres appareils, soit du silicium CMOS ou d'autres matériaux qui ne pouvaient pas tolérer les températures élevées requises pour la croissance initiale, " a déclaré Henderson. " Nous cherchons des moyens de transformer le graphène en un matériau électronique ou opto-électronique utile à basse température et sous des formes à motifs. "