Cette image AFM montre des îlots F4TCNQ 2D sur du graphène/BN qui pourraient être utilisés pour modifier le graphène pour des applications électroniques.
Dans ce qui pourrait s'avérer être une avancée significative dans la fabrication de nanodispositifs à base de graphène, une équipe de chercheurs du Berkeley Lab a découvert un nouveau mécanisme d'assemblage d'« îlots » moléculaires bidimensionnels (2D) qui pourraient être utilisés pour modifier le graphène à l'échelle nanométrique. Ces îlots 2D sont composés de molécules F4TCNQ qui piègent la charge électrique de manière potentiellement utile pour l'électronique à base de graphène.
"Nous rapportons une étude de microscopie à effet tunnel et de microscopie à force atomique sans contact des molécules F4TCNQ à la surface du graphène dans laquelle les molécules fusionnent en îlots 2D compacts, " dit Michael Crommie, un physicien qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley. "Les îles résultantes pourraient être utilisées pour contrôler la densité des porteurs de charge dans les substrats de graphène, ainsi que de modifier la façon dont les électrons se déplacent dans les dispositifs à base de graphène. Ils pourraient également être utilisés pour former des motifs nanométriques précis qui présentent une perfection structurelle à l'échelle atomique inégalée par les techniques de fabrication conventionnelles. »
Crommie est l'un des quatre auteurs correspondants d'un article décrivant cette recherche publié par ACS Nano . L'article s'intitule "Molecular Self-Assembly in a Poorly Screened Environment:F4TCNQ on Graphene/BN". Les autres auteurs correspondants sont Steven Louie et Marvin Cohen, à la fois avec Berkeley Lab et UC Berkeley, et Jiong Lu de l'Université nationale de Singapour. (Voir ci-dessous pour une liste complète des co-auteurs)
Le graphène est une feuille de carbone pur d'un seul atome d'épaisseur à travers laquelle les électrons se déplacent 100 fois plus vite qu'ils ne se déplacent à travers le silicium. Le graphène est également plus fin et plus résistant que le silicium, ce qui en fait un matériau de superstar potentiel pour l'industrie électronique. Cependant, le graphène doit être dopé électriquement pour régler le nombre de porteurs de charge qu'il contient afin d'être utile dans les appareils, et F4TCNQ s'est avéré être un dopant efficace pour transformer le graphène en un semi-conducteur de « type p ».
Le physicien Michael Crommie occupe des postes conjoints avec Berkeley Lab et UC Berkeley. Crédit :Roy Kaltschmidt
"F4TCNQ est connu pour extraire des électrons d'un substrat, modifiant ainsi la densité de porteurs de charge du substrat, " dit Crommie. " Des études précédentes ont examiné le F4TCNQ adsorbé sur du graphène supporté par un substrat métallique, ce qui crée un environnement hautement filtré. Le F4TCNQ adsorbé sur du graphène supporté par l'isolant nitrure de bore (BN) crée un environnement mal filtré. Nous avons trouvé que, contrairement aux métaux, Les molécules F4TCNQ sur le graphène/BN forment des îlots 2D par un mécanisme d'auto-assemblage unique qui est entraîné par les interactions de Coulomb à longue distance entre les molécules chargées. Les molécules chargées négativement fusionnent en une île, augmentant la fonction de travail locale au-dessus de l'îlot et provoquant l'afflux d'électrons supplémentaires dans l'îlot. Ces électrons supplémentaires font diminuer l'énergie totale de la couche de graphène, résultant en une cohésion insulaire."
Crommie et ses co-auteurs pensent que ce mécanisme de formation d'îlots 2D devrait également s'appliquer à d'autres systèmes d'adsorbats moléculaires qui présentent un transfert de charge dans des environnements mal filtrés, ouvrant ainsi la porte au réglage des propriétés des couches de graphène pour les applications de dispositifs.
