Graphenforschung

Effektive Graphendotierung abhängig von Trägermaterial

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.

Probe in ARPES: Die Wissenschaftler benutzten winkelauflösende Photoelektronen-Spektroskopie (Angle-Resolved Photo Electron Spectroscopy), um die Dotierung der Graphenproben zu bestimmen. Hier werden die Proben mit UV-Licht bestrahlt, welches Elektronen aus dem Material löst, die dann detektiert werden. Die ursprüngliche Bindungsenergie der herausgelösten Elektronen bestimmt die Geschwindigkeit, mit der sie auf den Detektor treffen. Auf diese Weise konnten sie die Bandstruktur des Graphens rekonstruieren. (Copyright: Forschungszentrum Jülich)

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. Doch bis jetzt ist eine industrielle Herstellung des nur ein Atom dicken Kohlenstoffgitters 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.

Siliciumcarbid wird seit ein paar Jahren auf seine Tauglichkeit als Trägermaterial getestet. Wird das Material in einer Argonatmosphäre auf mehr als 1400 °C 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.

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Gitterstrukturen von epitaktischem Monoschicht-Graphen (EMLG) und quasi-freistehendem Monoschicht-Graphen (QFMLG), vor der Dotierung mit Stickstoff (links) und danach (rechts). Die Skala rechts zeigt die Höhe der Proben in Ångström, der Nullpunkt markiert die Grenzschicht Substrat/Graphen. In der EMLG-Probe wurden die Stickstoffatome nur im Graphen selbst eingelagert. Die QFMLG-Probe zeigt Stickstoff in der Grenzschicht. Einige der Wasserstoffatome wurden durch Stickstoff ersetzt, und heben das Graphen an. (Copyright: Forschungszentrum Jülich)

Um dieses Problem zu umgehen, bringt man Wasserstoff an der Grenzfläche der beiden Materialien ein – ein Verfahren das als Wasserstoffinterkalation bekannt ist. Die Bindungen zwischen Graphen und Trägermaterial werden durch Wasserstoffatome getrennt und abgesättigt. Dies unterdrückt den elektronischen Einfluss des Siliciumkristalls, 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 Stickstoffionen 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 Siliciumcarbid", 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 Graphengitter 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.

Ansprechpartner:
Dr. Francois C. Bocquet, Peter Grünberg Institut
Functional Nanostructures at Surfaces (PGI-3)
E-Mail: f.bocquet@fz-juelich.de

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

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