Échantillon imagé à l'aide d'ARPES :les scientifiques du PGI-3 ont utilisé la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire (ARPES) pour déterminer le degré de dopage dans les échantillons de graphène. Pour cette méthode, les échantillons sont irradiés avec de la lumière UV pour détacher les électrons des matériaux. Les électrons peuvent alors être détectés. L'énergie de liaison d'origine des électrons détachés détermine la vitesse à laquelle ils frappent le détecteur. De cette façon, les scientifiques ont pu reconstituer la structure de bande du graphène. Crédit :Forschungszentrum Juelich
Les physiciens de Juelich ont découvert des effets inattendus dans le graphène dopé, c'est-à-dire du graphène mélangé à des atomes étrangers. Ils ont étudié des échantillons du composé de carbone enrichi en azote d'atome étranger sur divers matériaux de substrat. Des interactions indésirables avec ces substrats peuvent influencer les propriétés électriques du graphène. Les chercheurs de l'Institut Peter Gruenberg ont maintenant montré qu'un dopage efficace dépend du choix du matériau du substrat. Les résultats des scientifiques ont été publiés dans la revue Lettres d'examen physique .
Plus dur que le diamant et plus résistant que l'acier, poids léger, transparent, souple, et extrêmement conducteur :le matériau maillé graphène est considéré comme le matériau du futur. Cela pourrait rendre les ordinateurs plus rapides, téléphones portables plus flexibles, et des écrans tactiles plus fins. Mais si loin, la production industrielle du réseau de carbone, qui n'a qu'un atome d'épaisseur, s'est avérée problématique :dans presque tous les cas, un substrat est nécessaire. La recherche d'un matériau adapté à cette fin est l'un des défis majeurs sur la voie des applications pratiques car si des interactions indésirables se produisent, ils peuvent faire perdre au graphène ses propriétés électriques.
Depuis quelques années, les scientifiques ont testé le carbure de silicium - un composé cristallin de silicium et de carbone - pour son adéquation en tant que matériau de substrat. Lorsque le matériau est chauffé à plus de 1400 degrés Celsius dans une atmosphère d'argon, le graphène peut être cultivé sur le cristal. Cependant, ce 'graphène monocouche épitaxié' présente une interaction - très légère - avec le substrat, ce qui limite sa mobilité électronique.
Vue latérale des structures en treillis de graphène monocouche épitaxié (EMLG) et de graphène monocouche quasi-autonome (QFMLG), avant (à gauche) et après (à droite) le dopage à l'azote. L'échelle de droite montre l'épaisseur des échantillons en ångström, où le point zéro marque l'interface entre le substrat et la couche de graphène. Après le dopage, l'échantillon EMLG contient uniquement des atomes d'azote dans le graphène, tandis que l'échantillon QFMLG présente également de l'azote dans la couche d'interface. Crédit :Forschungszentrum Jülich
Afin de contourner ce problème, de l'hydrogène est introduit à l'interface entre les deux matériaux. Cette méthode est connue sous le nom d'intercalation d'hydrogène. Les liaisons entre le graphène et le matériau substrat sont séparées et saturées par les atomes d'hydrogène. Cela supprime l'influence électronique du cristal de silicium tandis que le graphène reste mécaniquement lié au substrat :graphène monocouche quasi-autoportant.
Mesures de haute précision avec des rayons X permanents
Pour des applications pratiques, les propriétés électriques du graphène doivent être modifiables - par exemple en introduisant des électrons supplémentaires dans le matériau. Ceci est effectué par une "contamination" ciblée du réseau de carbone avec des atomes étrangers. Pour ce processus, connu sous le nom de dopage, le graphène est bombardé d'ions azote puis recuit. Il en résulte des défauts dans la structure du réseau :quelques atomes de carbone - moins de 1 % - se séparent du réseau et sont remplacés par des atomes d'azote, qui apportent des électrons supplémentaires.
Les scientifiques de l'Institut Peter Gruenberg de Juelich - Nanostructures fonctionnelles à la surface (PGI-3) ont maintenant, pour la première fois, étudié si et comment la structure du matériau du substrat influence ce processus de dopage. À la source de rayonnement synchrotron Diamond Light Source à Didcot, Oxfordshire, ROYAUME-UNI, François C. Bocquet et ses collègues ont dopé des échantillons de graphène monocouche épitaxié et quasi autonome et ont étudié ses propriétés structurelles et électroniques. Au moyen de champs d'ondes de rayons X stationnaires, ils ont pu scanner à la fois le graphène et le substrat avec une précision de quelques millionièmes de micromètre - moins d'un dixième du rayon d'un atome.
Les atomes d'azote dans la couche d'interface conviennent également au dopage
Leurs découvertes étaient surprenantes. "Certains des atomes d'azote ont diffusé du graphène dans le carbure de silicium, " explique Bocquet. " On croyait auparavant que le bombardement d'azote n'affectait que le graphène, mais pas le matériau du substrat."
Bien que les deux échantillons aient été traités de la même manière, ils présentaient des concentrations d'azote différentes, mais dopage électronique quasi identique :tous les atomes d'azote n'étaient pas intégrés dans le réseau de graphène, néanmoins le nombre d'électrons dans le graphène a augmenté comme si c'était le cas. La clé de ce résultat inattendu réside dans le comportement différent des couches d'interface entre le graphène et le substrat. Pour le graphène épitaxié, rien n'a changé :la couche d'interface est restée stable, la structure inchangée. Dans le graphène quasi-autonome, cependant, certains des atomes d'hydrogène entre le graphène et le substrat ont été remplacés par des atomes d'azote. Selon Bocquet :« Si vous examinez le graphène quasi-autoportant, vous trouverez un atome d'azote sous la couche de graphène à certains endroits. Ces atomes d'azote, bien qu'ils ne fassent pas partie du graphène, peut doper le treillis sans le détruire. Ce résultat imprévu est très prometteur pour de futures applications en micro- et nanoélectronique."
