Une équipe interdisciplinaire de scientifiques du U.S. Naval Research Laboratory (NRL), Divisions des sciences et technologies de l'électronique et des sciences et technologies des matériaux, a démontré que l'implantation ionique hyperthermique (HyTII) est un moyen efficace de dopage par substitution du graphène - une feuille de carbone à épaisseur unique et à disposition hexagonale - avec des atomes d'azote. Le résultat est un film à faible défaut avec une structure de bande accordable adaptée à une variété de plates-formes et d'applications de dispositifs.

La recherche montre que la méthode HyTII offre un degré élevé de contrôle, y compris la concentration de dopage et, pour la première fois, démontre le contrôle de la profondeur de l'implantation en dopant une seule monocouche de graphène dans un empilement de graphène bicouche. Cela démontre en outre que les films résultants ont des propriétés de transport électronique de haute qualité qui peuvent être décrites uniquement par des changements de structure de bande plutôt que par le comportement dominé par les défauts des films de graphène dopés ou fonctionnalisés à l'aide d'autres méthodes.

"Depuis la découverte qu'une seule couche atomique d'atomes de carbone liés sp2, appelé graphène, pourrait être isolé du graphite en vrac, une pléthore de propriétés électroniques et spintroniques remarquables ont émergé, " a déclaré le Dr Cory Cress, ingénieur de recherche matériaux, LNR. "Toutefois, peu d'applications sont à venir car le graphène manque de bande interdite et son dopage est difficile à contrôler, rendre les appareils au graphène compétitifs uniquement pour les technologies d'appareils hautement spécialisées."

Le dopage ou la fonctionnalisation chimique peut ajouter une lacune de transport utilisable. Cependant, ces méthodes ont tendance à produire des films qui sont en proie à des défauts involontaires, ont une faible stabilité, ou couverture non uniforme des dopants et des groupes fonctionnels, qui toutes limitent grandement leur utilité et dégradent les propriétés intrinsèques souhaitables du film de graphène.

Comme alternative, Les scientifiques du LNR ont tiré parti de leur expérience des effets des rayonnements pour développer un système d'implantation d'ions hyperthermique avec la précision et le contrôle nécessaires pour implanter de l'azote (N+) dans le graphène en obtenant un dopage par substitution directe.

« Après plusieurs mois de développement du système, la faisabilité de la technique dépendait vraiment de la première expérience, " dit Cress. " Dans notre bureau, nous avons déterminé la gamme d'énergies ioniques hyperthermiques qui a donné la fraction la plus élevée de dopage à l'azote, tout en minimisant les défauts, et nous avons réussi à confirmer le contrôle de profondeur inhérent au processus HyTII."

Pour atteindre ce dernier, les scientifiques ont mis en place un système de matériau graphène bicouche comprenant une couche de graphène naturel, avec principalement des atomes de carbone-12 (12C), en couches sur du graphène synthétisé avec plus de 99 pour cent de carbone-13 (13C). Ce matériau bicouche a fourni un moyen d'identifier la couche qu'ils modifiaient lors de l'analyse par spectroscopie Raman.

Les dispositifs fabriqués à partir de films traités avec du N+ dans la plage de dopage optimal montrent une transition de la localisation forte à la localisation faible qui dépend de la dose d'implantation, indiquant la capacité de l'azote implanté à modifier les propriétés intrinsèques du film. Comme en témoigne la haute qualité électronique des dispositifs implantés par rapport aux dispositifs similaires dopés par adatome, les scientifiques ont découvert que la dépendance à la température peut être ajustée par un modèle qui prend en compte à la fois les effets de bande dus au dopage de substitution et les effets de type isolant dus à la formation de défauts, avec les effets de bande observés comme étant la composante dominante.

Étonnamment, les chercheurs ont découvert qu'une quantité plus élevée de dopage à l'azote empêche le croisement vers un comportement isolant près du point de neutralité de charge. Les défauts semblent dominer le comportement uniquement aux grandes énergies d'implantation, où les défauts sont plus probables, démontrant davantage les différences entre les films dopés vrais et les films défectueux/dopés précédents.

"Nos mesures de ces appareils indiquent fortement que nous avons finalement fabriqué un film de graphène avec une bande interdite réglable, faible densité de défauts, et une grande stabilité, " explique le Dr Adam L. Friedman, chercheur en physique, LNR. "Nous émettons donc l'hypothèse que les films de graphène HyTII ont un grand potentiel pour les applications électroniques ou spintroniques pour le graphène de haute qualité où un transport ou une bande interdite et une concentration élevée en porteurs sont souhaités."