Группа исследователей из США, Японии и Южной Кореи легировала двумерный лист графена с использованием монослоя оксиселенида вольфрама (TOS) путем окисления монослоя диселенида вольфрама. Этот легированный TOS графен демонстрирует высокий оптический коэффициент пропускания и низкие вносимые потери на длинах волн телекоммуникаций.

Легированный графен является многообещающим для оптоэлектронных приложений следующего поколения. Однако химическое легирование невозможно точно контролировать, что приводит к нарушениям, которые уменьшают подвижность носителей и проводимость в легированных материалах.

Однако подход междисциплинарной группы приводит к более чистой технике управления потоком электричества в 2D-графене и открывает путь к революции в квантовых вычислениях и телекоммуникациях.

Допинг: метод контроля проводимости

Полупроводники в их естественном состоянии (также называемые собственными полупроводниками) являются плохими проводниками электричества. Это потому, что электрические токи зависят от свободного потока электронов. Тем не менее, валентные зоны полупроводников заполнены, что препятствует свободному течению электронов.

При легировании в собственный полупроводник добавляют примеси, чтобы изменить его электрические свойства. Таким образом, он называется внешним полупроводником.

В качестве иллюстрации, в собственном полупроводнике, таком как кремний, атомы связаны прочными ковалентными связями, образуя трехмерную кристаллическую структуру. Каждый атом кремния разделяет со своим соседом восемь внешних (или валентных) электронов. Допинг разрушает эти связи и высвобождает носители заряда.

При введении легирующих добавок с большим числом валентных электронов по сравнению с легируемым материалом возникает свободный поток электронов (или отрицательных зарядов), в результате чего получается так называемый полупроводник n-типа.

И наоборот, когда валентных электронов меньше по сравнению с легируемым материалом, возникает свободный поток положительно заряженных «дырок», что приводит к так называемым полупроводникам p-типа.

Междисциплинарная группа применила легирование высокой плотности p-типа к монослою графена через среду монослоя оксиселенида вольфрама (TOS). Монослой TOS был приготовлен окислением диселенида вольфрама УФ-озоном (WSe ₂ ) при комнатной температуре

.

Этот монослой TOS показал подвижность дырок 2000 см ² V ^-1 с ^-1 что привело к сопротивлению графена 118 Ом · кв ^-1 . Тем не менее, когда ТОС был отделен от графена диселенидом вольфрама (WSe ₂ ), примесное рассеяние уменьшилось, и сопротивление графена упало до 48 Ом · кв ^-1 .

Более того, легированный графен очень прозрачен в инфракрасном спектре и демонстрирует коэффициент пропускания, близкий к идеальному (99,2%), и низкие вносимые потери (0,012 дБмкм ^-1 ). Это обещает новаторские применения в оптических телекоммуникациях.

Управление проводимостью в 2D-графене

С тех пор, как графен был впервые произведен в 2004 году, было представлено более 2500 слоистых (двумерных, атомарно тонких) применений графеноподобных материалов. Эти слоистые материалы можно комбинировать с образованием материалов с уникальными электрическими, химическими, оптическими и механическими свойствами.

Такие материалы называются гетероструктурами Ван-дер-Ваальса, потому что их слои связаны не посредством химической реакции, а так называемого слабого ван-дер-ваальсова взаимодействия. Благодаря этому, эти материалы можно укладывать практически неограниченным количеством способов.

Таким образом, можно собирать высокоэффективные конструкции для конкретных целей. Это открывает возможности для расширенных функциональных возможностей ультратонких транзисторов и других оптоэлектронных устройств.

Междисциплинарная группа, включая Джеймса Хона и Джеймса Тегерани из Колумбийского университета, а также Вон Чон Ю из Университета Сунгёнкван в Южной Корее, разработала метод легирования графена через слой переноса заряда, состоящий из оксиселенида вольфрама высокой чистоты (TOS). .

В предыдущих методах использовались нечистые материалы в слое переноса заряда, и графен становился неравномерно легированным, что ограничивало его способность проводить электричество.

"Чистый" слой команды был создан путем окисления монослоя (одиночного атомного слоя) селенида вольфрама (WSe ₂ ). Когда «чистый» оксиселенид вольфрама (ТОС) был нанесен на поверхность графена, он создавал положительно заряженные «дыры» в графене. Затем этими отверстиями можно управлять для управления проводимостью графена.

Отделение графена от TOS еще больше увеличило подвижность носителей заряда до такой степени, что влияние TOS стало почти незначительным. Это означало, что подвижность носителей заряда почти полностью определялась свойствами, присущими графену.

Благодаря такому сочетанию высокой подвижности и высокого уровня легирования графен демонстрирует более высокую проводимость, чем металлы с высокой проводимостью, такие как медь или золото.

Это новый способ изменения свойств графена по запросу. Мы только начали исследовать возможности этой новой техники.

Профессор Джеймс Хоун, Колумбийский университет.

Легированный материал команды находит новое применение в фотонных устройствах, прозрачной электронике, телекоммуникационных системах и квантовых компьютерах.

Ссылки и дополнительная литература

Чой, М., Нипан, А., (2021) Высокая подвижность носителей в графене, легированном монослоем оксиселенида вольфрама. Nature Electronics [Online] Доступно по адресу: https://doi.org/10.1038/s41928-021-00657-y

Гейм, А., Григорьева, И., (2013) Ван-дер-Ваальсовы гетероструктуры. Nature [Online] Доступно по адресу: https://doi.org/10.1038/nature12385[19459005impression

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.