Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Effektive Graphendotierung abhängig von Trägermaterial

29.03.2016

Jülicher Physikerinnen und Physiker haben unerwartete Effekte in dotiertem, das heißt mit Fremdatomen versetztem, Graphen entdeckt. Sie untersuchten mit Stickstoff – als Fremdatom – angereicherte Proben der Kohlenstoffverbindung auf unterschiedlichen Trägermaterialen. Ungewollte Wechselwirkungen mit diesen Substraten können die elektrischen Eigenschaften des Graphens beeinflussen. Jetzt haben die Forscher des Peter-Grünberg-Instituts gezeigt, dass auch die effektive Dotierung von der Wahl des Trägermaterials abhängt. Ihre Ergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Es ist härter als Diamant und stabiler als Stahl, dazu leicht, durchsichtig, biegsam und extrem leitfähig: Das "Maschendrahtmaterial" Graphen gilt als Werkstoff der Zukunft. Es könnte Computer schneller, Handys flexibler und Touchscreens dünner machen.


Probe in ARPES: Die Wissenschaftler benutzten winkelauflösende Photoelektronen-Spektroskopie (Angle-Resolved Photo Electron Spectroscopy), um die Dotierung der Graphen-Proben zu bestimmen.

Copyright: Forschungszentrum Jülich


Gitterstrukturen von epitaktischem Monoschicht-Graphen (EMLG) und quasi-freistehendem Monoschicht-Graphen (QFMLG), vor der Dotierung mit Stickstoff (links) und danach (rechts).

Copyright: Forschungszentrum Jülich

Doch bis jetzt ist eine industrielle Herstellung des nur ein Atom dicken Kohlenstoff-Gitters problematisch. Fast immer ist ein Trägermaterial notwendig. Die Suche nach einem geeigneten Werkstoff dafür ist eine der großen Aufgaben auf dem Weg in die praktische Anwendung. Denn treten ungewollte Wechselwirkungen auf, verliert das Graphen seine herausragenden elektrischen Eigenschaften.

Siliziumkarbid – eine kristalline Verbindung aus Silizium und Kohlenstoff – wird seit ein paar Jahren auf seine Tauglichkeit als Trägermaterial getestet. Wird das Material in einer Argon-Atmosphäre auf mehr als 1400 Grad Celsius erhitzt, kann man Graphen auf den Kristall aufwachsen lassen. Das sogenannte epitaktische Monoschicht-Graphen hat allerdings eine - sehr geringe - Wechselwirkung mit dem Substrat, die seine Elektronenbeweglichkeit einschränkt.

Um dieses Problem zu umgehen, bringt man Wasserstoff an der Grenzfläche der beiden Materialien ein – ein Verfahren das als Wasserstoff-Interkalation bekannt ist. Die Bindungen zwischen Graphen und Trägermaterial werden durch Wasserstoffatome getrennt und abgesättigt. Dies unterdrückt den elektronischen Einfluss des Siliziumkristalls, doch das Graphen bleibt mechanisch mit dem Substrat verbunden: quasi-freistehendes Monoschicht-Graphen.

Hochpräzise Messungen mit stehenden Röntgenwellen

Für praktische Anwendungen braucht man die Option, die elektrischen Eigenschaften von Graphen zu modifizieren – zum Beispiel, indem man zusätzliche Elektronen in das Material einbringt. Dies geschieht durch die gezielte "Verschmutzung" des Kohlenstoffgitters mit Fremdatomen. Für eine solche Dotierung wird das Graphen mit einem Strahl von Stickstoff-Ionen beschossen und anschließend erhitzt. Dadurch entstehen Defekte in der Gitterstruktur: Einige wenige Kohlenstoffatome – weniger als ein Prozent – lösen sich aus dem Gitter und werden durch Stickstoffatome ersetzt, die zusätzliche Elektronen mitbringen.

Wissenschaftler des Jülicher Peter-Grünberg-Instituts, Bereich "Functional Nanostructures at Surfaces" (PGI-3), haben jetzt zum ersten Mal untersucht, ob und wie die Struktur des Trägermaterials diese Dotierung beeinflusst. An der Synchrotronstrahlungsquelle Diamond Light Source im britischen Didcot, Oxfordshire, haben François C. Bocquet und seine Kollegen Proben von epitaktischem und quasi-freistehendem Monoschicht-Graphen mit Stickstoff dotiert, und seine strukturellen und elektronischen Eigenschaften untersucht. Mit stehenden Röntgenwellenfeldern konnten sie Graphen und Substrat mit einer Genauigkeit von ein paar Millionstel Mikrometer – weniger als ein Zehntel eines Atomradius – abtasten.

Auch Stickstoffatome in der Grenzschicht können dotieren

Die Ergebnisse waren überraschend. "Ein Teil der Stickstoffatome diffundierte aus dem Graphen in das Siliziumkarbid", erklärt Bocquet. "Bisher war angenommen worden, dass sich der Stickstoffbeschuss nur auf das Graphen auswirkt, nicht auf das Trägermaterial."

Trotz gleicher Behandlung zeigten die beiden Proben unterschiedliche Stickstoffkonzentrationen, aber nahezu die gleiche elektronische Dotierung: Auch wenn nicht alle Stickstoffatome in das Graphen-Gitter eingebaut wurden, stieg die Anzahl der Elektronen im Graphen dennoch so an, als ob dies der Fall wäre. Der Schlüssel zu diesem überraschenden Ergebnis liegt im unterschiedlichen Verhalten der jeweiligen Grenzschichten zwischen Graphen und Substrat. Für das epitaktische Graphen änderte sich nichts: Die Grenzschicht blieb stabil, die Struktur unverändert. Im quasi-freistehenden Graphen jedoch wurde ein Teil der Wasserstoffatome zwischen Graphen und Substrat durch Stickstoffatome ersetzt. "Wenn man das quasi-freistehende Graphen untersucht, findet man ab und zu ein Stickstoffatom unter dem Graphenteppich", so Bocquet. „Diese Stickstoffatome, obwohl nicht Teil des Graphens, können es trotzdem dotieren, ohne das Gitter zu zerstören. Dieses unerwartete Ergebnis ist sehr erfolgsversprechend für künftige Anwendungen in der Mikro- und Nanoelektronik.“

Originalveröffentlichung:

The structural and electronic properties of nitrogen-doped graphenes
Physical Review Letters (published online 24 March 2016), DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.126805
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.126805

Ansprechpartner:

Dr. Francois C. Bocquet, Peter Grünberg Institut
Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)
Tel. +49 2461 61-3987
E-Mail: f.bocquet@fz-juelich.de

Prof. Dr. F. Stefan Tautz, Peter Grünberg Institut
Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)
Tel. +49 2461 61-4561
E-Mail: s.tautz@fz-juelich.de

Pressekontakt:

Dr. Regine Panknin
Unternehmenskommunikation
Tel.: +49 2461 61-9054
Email: r.panknin@fz-juelich.de

Weitere Informationen:

http://www.fz-juelich.de/portal/DE/Home/home_node.html - Forschungszentrum Jülich
http://fz-juelich.de/pgi/DE/Home/home_node.html - Peter Grünberg Institut
http://fz-juelich.de/pgi/pgi-3/EN/Home/home_node.html - Bereich Functional Nanostructures at Surfaces
http://www.fz-juelich.de/SharedDocs/Pressemitteilungen/UK/DE/2015/15-03-10graphe... - Neue Formel für passendes Trägermaterial für Graphen (Pressemitteilung 15.März 2015)

Annette Stettien | Forschungszentrum Jülich

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht ALMA beginnt Beobachtung der Sonne
18.01.2017 | ESO Science Outreach Network - Haus der Astronomie

nachricht Magnetische Kraft von einzelnen Antiprotonen mit höchster Genauigkeit bestimmt
18.01.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Der erste Blick auf ein einzelnes Protein

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das menschliche Hirn wächst länger und funktionsspezifischer als gedacht

18.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Zur Sicherheit: Rettungsautos unterbrechen Radio

18.01.2017 | Verkehr Logistik