Drijvend grafeen op een plaat van calciumatomen

Door calcium toe te voegen aan een composiet grafeen-substraatstructuur ontstaat een hoge transitie-temperatuur (Tc) supergeleider.

In een nieuwe studie heeft een door Australië geleid team voor het eerst bevestigd wat er feitelijk met die calciumatomen gebeurt: iedereen verbaast dat het calcium onder zowel de bovenste laag grafeen als een onderste bufferplaat gaat, waardoor het grafeen op een bed van calcium drijft. atomen.

Supergeleidend met calcium geïnjecteerd grafeen is een grote belofte voor energiezuinige elektronica en transparante elektronica.

Met calcium gedoteerd grafeen bestuderen: het dekbed afwerpen

De eigenschappen van grafeen kunnen worden verfijnd door injectie van een ander materiaal (een proces dat bekend staat als intercalatie) ofwel onder het grafeen, of tussen twee grafeenvellen.

Deze injectie van vreemde atomen of moleculen verandert de elektronische eigenschappen van het grafeen door ofwel de geleiding te verhogen, de interacties met het substraat te verminderen, of beide.

Door calcium in grafiet te injecteren ontstaat een composietmateriaal (met calcium geïntercaleerd grafiet, CaC₆) met een relatief hoge supergeleidende overgangstemperatuur (T_c). In dit geval bevinden de calciumatomen zich uiteindelijk tussen grafeenplaten.

Door calcium in grafeen op een siliciumcarbidesubstraat te injecteren, ontstaat ook een hoge T_c supergeleider, en we dachten altijd dat we ook in dit geval wisten waar het calcium naartoe ging …

Grafeen op siliciumcarbide heeft twee lagen koolstofatomen: een grafeenlaag bovenop een andere bufferlaag: een koolstoflaag (grafeenachtige structuur) die zich vormt tussen het grafeen en het siliciumcarbidesubstraat tijdens de synthese, en is niet- geleidend omdat het gedeeltelijk aan het substraatoppervlak is gehecht.

“Stel je voor dat het siliciumcarbide als een matras is met een hoeslaken (de bufferlaag eraan vastgemaakt) en een vlakke plaat (het grafeen)”, legt hoofdauteur Jimmy Kotsakidis uit.

Conventionele wijsheid was dat calcium tussen de twee koolstoflagen (tussen twee vellen) zou moeten injecteren, vergelijkbaar met injectie tussen de grafeenlagen in grafiet. Verrassend genoeg ontdekte het door Monash University geleide team dat de uiteindelijke bestemming van de calciumatomen bij injectie tussen de bufferlaag en het onderliggende siliciumcarbidesubstraat (tussen het hoeslaken en de matras!) Ligt.

“Het was nogal een verrassing voor ons toen we ons realiseerden dat het calcium zich hechtte aan het siliciumoppervlak van het substraat, het ging echt tegen wat we dachten dat er zou gebeuren”, legt Kotsakidis uit.

Bij injectie verbreekt het calcium de bindingen tussen de bufferlaag en het substraatoppervlak, waardoor de bufferlaag boven het substraat ‘zweeft’, waardoor een nieuwe, quasi-vrijstaande dubbellaagse grafeenstructuur (Ca-QFSBLG) ontstaat.

Dit resultaat was onverwacht, met uitgebreide eerdere studies waarbij geen rekening werd gehouden met calciumintercalatie onder de bufferlaag. De studie lost dus de langdurige verwarring en controverse over de positie van het geïntercaleerde calcium op.

Röntgenfoto-elektron spectroscopie (XPS) metingen bij het Australische Synchrotron waren in staat om de locatie van het calcium nabij het siliciumcarbide oppervlak te lokaliseren

De resultaten werden ook ondersteund door lage-energie elektronendiffractie (LEED) en scanning tunneling microscopie (STM) metingen, en door modellering met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT).

En ook magnesium …

Met deze informatie bij de hand besloot het Australische team ook te onderzoeken of magnesium – dat notoir moeilijk te injecteren is in de grafietstructuur – kan worden ingevoegd (geïntercaleerd) in grafeen op een siliciumcarbidesubstraat.

Tot verbazing van de onderzoekers gedroeg magnesium zich opmerkelijk vergelijkbaar met calcium, en werd het ook tussen het grafeen en het substraat geïnjecteerd, waardoor het grafeen weer dreef.

Zowel magnesium- als calcium-geïntercaleerd grafeen n-type doopte het grafeen, en resulteerde in grafeen met een lage werkfunctie, een aantrekkelijk aspect bij het gebruik van grafeen als een geleidend elektrisch contact voor andere materialen.

Maar in tegenstelling tot calcium bleef met magnesium geïntercaleerd grafeen minstens zes uur stabiel in de omgevingsatmosfeer, waarmee een grote technische hindernis werd overwonnen voor met alkali en aardalkalimetaal geïntercaleerde grafeen.

“Het feit dat Mg-QFSBLG een materiaal met een lage werkfunctionaliteit is en n-type het grafeen verdooft terwijl het vrij stabiel blijft in de omgevingsatmosfeer, is een enorme stap in de goede richting voor de implementatie van deze nieuwe geïntercaleerde materialen in technologische toepassingen”, legt co-auteur Prof Michael Führer.

“Magnesium-geïntercaleerd grafeen zou een opstap kunnen zijn naar de ontdekking van andere vergelijkbare stabiele intercalanten.”

Het artikel, “Vrijstaand n-gedoteerd grafeen via intercalatie van calcium en magnesium in de bufferlaag-SiC (0001) interface”, werd gepubliceerd in Chemie van materialen in juli 2020.