Michael Crommie ja Alex Zettli juhitavad uurimisgrupid teevad koostööd leidmaks substraate, mida kasutades säiliksid grafeeni sisemised omadused. Nende uurimistöö tulemused grafeeni ja boornitriidi vastastikmõju kohta ilmus hiljuti teadusajakirjas Nano Letters.
Grafeen(ülemine kiht) on kuusnurksetest süsiniku aatomitest koosnev struktuur. Kuusnurkne boornitriid on koosneb sarnase asetusega boori ja lämmastiku aatomitest. Boornitriidi võrekonstant on vaid 1,7 protsenti suurem kui grafeenil. Seetõttu on boornitriid ideaalne substraat, tänu millele säilivad grafeeni sisemised omadused.
,,Igasugune substraat mõjutab grafeeni omadusi, mistõttu selle sisemiste omaduste uurimiseks tuleks kasutada rippuvas olekus grafeeni,” sõnas Régis Decker, artikli peaautor. ,,Rippuv grafeen on aga skaneeriva sondi tehnikate, näiteks skaneeriva tunnelmikroskoopia alluurides üpriski ebastabiilne, sest grafeeni membraan võib sondi teraviku otsas võnkuda. Seetõttu tuleks leida substraat, mis matkiks kõige paremini rippuva grafeeni olukorda.”
Columbia Ülikooli teadlastegrupp teatas 2010. aasta oktoobris, et boornitriid-substraadiga grafeenil oli tunduvalt parem elektronide liikuvus kui kõige tavalisema pooljuht-substraadi, ränidioksiidi(SiO2) puhul, kirjutab Physorg.com.
Teadlased sadestasid lisanditega räni kihile kasvatatud ränidioksiidi kihile boornitriidi helbekesi. Lisanditega räni kasutati STM-is grafeeni dopeerimiseks. Grafeen asetati nii boornitriidi helvestele(STM-i teraviku all) kui ka otse ränidioksiidile; grafeen(pildil tume- ja helelilla) maandati kulla/titaani(pildil kuldne) elektroodi abil. STM võis skaneerida üle mõlema substraadi süsteemi.
,,Columbia Ülikooli teadlased näitasid, et elektronide liikuvus boornitriidi substraadiga grafeenis oli palju parem kui ränidioksiidi substraadi puhul, kuid leidus palju küsimusi, millele nende makroskoopilised mõõtmised ei vastanud,” ütles artikli kaasautor Yang Wang. Teadlased otsustasid kahte süsteemi kõrvuti uurida, et leida, miks just boornitriid nii hästi töötab. ,,Et uurida boornitriidi aatomskaalas, kasutasime me skaneerivat tunnelmikroskoopi(ehk STM-i), et luua pilt süsteemi topograafiast ning selle lokaalseid elektroonilisi olekuid mõõta.
,,Et grafeeni-substraadi süsteem võiks matkida rippuvat grafeeni, peab substraadil olema suur elektrooniline keelutsoon ning ei tohi leiduda ripakil sidemeid, vältides seega grafeeni elektroonilise struktuuri muutuseid. Samuti peab substraat olema väga lame, täpselt nagu rippuv grafeen eraldi on. Boornitriid on hea kandidaat, sest täidab neid kriteeriume,” lausus Decker.
Kuigi kuusnurkse boornitriidi võrestik on umbes 1,7 protsenti suurem kui grafeenil ning pole seetõttu täpselt vastav, saab kahte meekärje-sarnast võrestikku üksteise peale palju täpsemalt paika asetada kui grafeeni ränidioksiidile. Vastupidiselt ränidioksiidile, millel tavaliselt keelutsoon puudub, on kuusnurksel boornitriidil lai keelutsoon, seda vahelduvate boori ja lämmastiku aatomitele selle võrestikus.
Vasakul: boornitriid-substraadiga grafeeni mõõtmistulemused. Paremal: ränidioksiid-substraadiga grafeeni mõõtmistulemused. STM kaardistas nii süsteemide topograafia(taga) kui ka lokaalsed laengutihedused(ees). Boornitriidil olev grafeen on erakordselt lame ning lokaalsete laenguolekute mittehomogeensus on võrreldes ränidioksiidi kasutamisega tunduvalt vähenenud.
,,Arvati, et ränidioksiid-substraadiga grafeenis häirivad mõningad tegurid elektronide liikuvust,” selgitas Victor Brar Crommie’ uurimisrühmast. ,,Üheks neist on ebapuhtused, mis grafeeni dopeerivad ning muudavad lokaalselt laengukontsentratsioone.” Nende ebapuhtuste üheks allikaks võivad olla lisaained, mis grafeeni ja substraadi vahele lõksu jäid, kui grafeenkiht substraadile asetati. Lisaainetena võivad käituda nii väikesed õhumullid, veemolekulid kui ka muud ained.
,,Kui me asetasime grafeeni boornitriid-seadmetele, otsisime me atmosfäärilisi ebapuhtusi, kuid ei leidnud ühtki tõendit nende mõju kohta. Praktiliste grafeenipõhiste seadmete valmistamiseks on see hea uudis, sest tähendab, et seadmeid ei pea kokku panema vaakumis,” selgitas Brar.
Teiseks grafeeni dopeerumise ning sellest tulenevate laengutiheduste ebaühtluste allikaks on substraadi ripakil olevad sidemed. Teise aatomiga sidestumiseks vaba valentselektron on keemiliste reaktsioonide tekkeallikaks ning ränidioksiidil neist vabadest sidemetest juba puudust ei tule. Boornitriidil pole vabade sidemete tekkeks aga ühtegi üleliigset elektroni.
Lisaks lausus Decker: ,,Et boornitriidi võrekonstant on grafeeni omale sarnane, siis ennustati, et boornitriidi kasutamisel tekib ka grafeenis keelutsoon, mis oleks rakenduste vaatepunktist vägagi huvitav.”
,,Grafeeni ja boornitriidi süsteem on tõesti palju parem kui iga teine substraat ja seda paljude rakenduste jaoks. Selles süteemis leidub palju vähem ebapuhtusi, laengukandjad on ühtlasemalt jaotunud, pind on siledam ja grafeen stabiilsem. Kokkuvõttes tekib palju puhtam keskkond, milles grafeeni sisemisi omadusi uurida,” ütles Michael Crommie.
Teadusartiklid: “Local electronic properties of graphene on a BN substrate via scanning tunneling microscopy” ja “Scanning tunnelling microscopy and spectroscopy of ultra-flat graphene on hexagonal boron nitride” ja “Boron nitride substrates for high-quality graphene electronics“