Des chercheurs danois ont pour la première fois cartographié la mobilité et la densité des porteurs de grandes feuilles de graphène avec un rayonnement électromagnétique.
Au cours de la dernière décennie, la manière habituelle de mesurer les propriétés électroniques du graphène – en particulier la mobilité et la densité des porteurs, qui ensemble donnent la conductance de la feuille - a été de fabriquer un dispositif de type transistor et de mesurer électroniquement comment la conductance change en fonction de la tension de grille électrostatique appliquée. Cette approche entièrement électronique est la meilleure lorsqu'il s'agit de petits morceaux de graphène, tels que les flocons microscopiques produits par clivage micromécanique (également connu sous le nom de «méthode du scotch-tape») - cependant, les progrès des techniques de production de graphène nous permettent désormais de produire en continu de vastes zones de mètres de graphène. Produire et mesurer des milliers ou des millions de dispositifs microscopiques à partir de telles feuilles serait peu pratique et réduirait la surface utile du graphène pour l'application envisagée. Nous devons être en mesure de vérifier les propriétés électroniques de ces grandes régions sans les détruire dans le processus.
Des chercheurs de l'Université technique du Danemark (DTU) ont montré que la mobilité des porteurs et la densité des porteurs du graphène peuvent être mesurées d'une manière spatialement résolue et non destructive - fournissant des « cartes » des propriétés électroniques essentielles à l'utilisation réussie de le graphène dans le photovoltaïque, électronique, spintronique et optique – utilisant le rayonnement térahertz (THz) et supprimant le besoin de fabriquer des dispositifs. En utilisant une procédure connue sous le nom de spectroscopie THz dans le domaine temporel, Jonas Buron et ses collègues des équipes de recherche du DTU dirigées par Peter Uhd Jepsen et Peter Bøggild ont mesuré la mobilité et la densité des porteurs à des dizaines de milliers de points dans une couche unique de graphène de la taille d'un centimètre.
Une étape clé dans ces premières mesures sans contact des propriétés électroniques du graphène a été la réalisation que la conductance du graphène pouvait être ajustée pendant les mesures à l'aide d'une porte arrière, qui est transparent au rayonnement THz. "Bien que nous ayons encore besoin de transférer le graphène sur un substrat spécial avec la porte THz invisible, c'est beaucoup plus facile et moins destructeur que les techniques conventionnelles... et bien, Plus vite", dit Jonas Buron. Pour de nombreuses applications électroniques du graphène, la fabrication d'un back-gate est de toute façon une étape nécessaire. "Avec une certaine optimisation, nous pourrions potentiellement cartographier la mobilité et la densité des porteurs d'une plaquette de 4 pouces revêtue de graphène en quelques minutes."
Les cartes des propriétés électroniques du graphène fournissent déjà des informations et des surprises sur l'origine de leur variation spatiale - dans un échantillon, les chercheurs ont observé deux fois plus de variation de mobilité que de densité de porteurs. Les variations de conductance sont généralement attribuées aux changements de densité de porteurs dus aux variations de dopage, mais les chercheurs ont prouvé qu'ici ce n'était pas le cas. "Nous avons souvent noté de telles variations lentes de la conductivité sur plusieurs centimètres dans les mesures THz." Peter Bøggild a expliqué. "Mais puisque le graphène est si facilement dopé en raison de son rapport surface/volume extrême, nous nous attendions toujours à ce que ceux-ci soient liés aux variations locales du niveau de dopage. Dans ce cas, nous avons exactement la situation inverse, et c'est déroutant. Sans cette technique de cartographie de la mobilité, nous n'aurions jamais su. »
La technique THz-TDS a un fort potentiel, ajoute Peter Uhd Jepsen. « Il est déjà surprenant de voir à quel point les informations que nous pouvons extraire de la transmission du rayonnement à travers une feuille d'atomes de carbone d'à peine 0,3 nm d'épaisseur sont déjà surprenantes. qui est soutenu par un morceau de silicium 1,5 million de fois plus épais. Nous apprenons encore à caractériser les propriétés électriques du graphène sans contacts électriques, et il semble y avoir d'excellentes options pour améliorer et accélérer la technique."
