Graphen-Forschung

Bor-Dotierung von Graphen-Nanoband

Physikern der Universität Basel ist es gelungen, mit Bor-Atomen dotierte Graphen-Nanobänder herzustellen und ihre elektronischen und chemischen Eigenschaften zu beschreiben.

Graphen-Nanoband unter dem Mikroskop. (© Universität Basel)

Das modifizierte Material könnte potenziell als Sensor für umweltschädliche Stickstoffoxide eingesetzt werden, berichten die Wissenschaftler in der neusten Ausgabe von Nature Communications.

Graphen ist eines der vielversprechendsten Materialien für die Verbesserung elektronischer Geräte. Das zweidimensionale Kohlenstoffblatt weist eine hohe Elektronenmobilität auf und hat entsprechend ausgezeichnete Leitfähigkeiten.

Im Gegensatz zu gewöhnlichen Halbleitern fehlt dem Stoff jedoch die sogenannte Bandlücke, ein Energiebereich in einem Festkörper, in welchem keine Elektronenzustände existieren können. Folglich kommt darin kein Zustand vor, in dem das Gerät elektronisch völlig ausgeschaltet ist. Um effiziente elektronische Schalter aus Graphen herzustellen, muss es aber auch an- und ausgeschaltet werden können.

Die Lösung für dieses Problem liegt darin, das Kohlenstoffblatt in eine band-artige Form zu trimmen. Dadurch kann es so verändert werden, dass es eine Bandlücke aufweist, deren Wert von der Breite des Nanobands abhängt.

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Synthese auf Goldoberfläche
Um die Bandlücke anzupassen und Graphen-Nanobänder (engl. graphene nanoribbons, GNR) wie einen bewährten Silicium-Halbleiter funktionieren zu lassen, werden die Bänder dotiert. Dabei führen die Forscher vorsätzlich Unreinheiten in ein vollkommen reines Material ein, um seine elektrische Eigenschaften abzustimmen. Während Stickstoff-Dotierung bereits umgesetzt wurde, blieb die Bor-Dotierung bisher unerforscht und die entstehenden elektronischen und chemischen Eigenschaften entsprechend unklar.

Prof. Dr. Ernst Meyer und Dr. Shigeki Kawai des Departements Physik der Universität Basel, unterstützt von Forschern von japanischen und finnischen Universitäten, gelang es, Bor-dotierte Graphen-Nanobänder von unterschiedlicher Breite herzustellen. Dazu benutzten sie eine chemische Oberflächenreaktion mit einem eigens dafür synthetisierten Vorgängermolekül auf einer atomar reinen Goldoberfläche. Die chemischen Strukturen wurden mit modernster Rasterkraftmikroskopie bei niedriger Temperatur bestimmt.

Auf dem Weg zum Stickstoffoxid-Sensor
Die einzelnen Bor-Atome konnten eindeutig lokalisiert werden und der Dotierungs-Anteil – die Anzahl Bor-Atome relativ zu der Gesamtmenge an Atomen innerhalb des Nanobands – lag bei 4,8 Atomprozent. Durch die Dosierung von Stickstoffmonoxid konnte die als Lewis-Säure bekannte chemische Eigenschaft nachgewiesen werden.

Das Stickstoffmonoxid wurde von der Bor-Stelle hoch-selektiv absorbiert. Dies weist darauf hin, dass Bor-dotierte Graphen-Nanobänder als ultra-hochsensible Gassensoren für Stickstoffoxide, welche in der Industrie wegen ihrer stark umweltschädlichen Eigenschaften ein aktuelles Thema sind, eingesetzt werden könnten.

Originalbeitrag:
S. Kawai, S. Saito, O. Oshima, S. Yamaguchi, A. S. Foster, P. Spiker, and E. Meyer: Atomically controlled substitutional boron-doping of graphene nanoribbons. Nature Communications, 6. 8098 (2015), DOI: 10.1038/ncomms9098.

Weitere Auskünfte:
Prof. Dr. Ernst Meyer
Universität Basel, Departement Physik
E-Mail: ernst.meyer@unibas.ch

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