Controlled electronic transport in single-walled carbon nanotube networks : selecting electron hopping and chemical doping mechanisms

The electronic transport in both intrinsic and acid-treated single-walled carbon nanotube networks containing more than 90% semiconducting nanotubes is investigated using temperature-dependent resistance measurements. The semiconducting behavior observed in the intrinsic network is attributed to the three-dimensional electron hopping mechanism. In contrast, the chemical doping mechanism in the acid-treated network is found to be responsible for the revealed metal-like linear resistivity dependence in a broad temperature range. This effective method to control the electrical conductivity of single-walled carbon nanotube networks is promising for future nanoscale electronics, thermometry, and bolometry. © 2010 American Institute of Physics.

Tailoring of Electronic Structure and Thermoelectric Properties of a Topological Crystalline Insulator by Chemical Doping

Topological crystalline insulators (TCIs) are a new quantum state of matter in which linearly dispersed metallic surface states are protected by crystal mirror symmetry. Owing to its vanishingly small bulk band gap, a TCI like Pb0.6Sn0.4Te has poor thermoelectric properties. Breaking of crystal symmetry can widen the band gap of TCI. While breaking of mirror symmetry in a TCI has been mostly explored by various physical perturbation techniques, chemical doping, which may also alter the electronic structure of TCI by perturbing the local mirror symmetry, has not yet been explored. Herein, we demonstrate that Na doping in Pb0.6Sn0.4Te locally breaks the crystal symmetry and opens up a bulk electronic band gap, which is confirmed by direct electronic absorption spectroscopy and electronic structure calculations. Na doping in Pb0.6Sn0.4Te increases p-type carrier concentration and suppresses the bipolar conduction (by widening the band gap), which collectively gives rise to a promising zT of 1 at 856 K for Pb0.58Sn0.40Na0.02Te. Breaking of crystal symmetry by chemical doping widens the bulk band gap in TCI, which uncovers a route to improve TCI for thermoelectric applications.

Chemical approaches for doping nanodevice architectures

Advanced doping technologies are key for the continued scaling of semiconductor devices and the maintenance of device performance beyond the 14 nm technology node. Due to limitations of conventional ion-beam implantation with thin body and 3D device geometries, techniques which allow precise control over dopant diffusion and concentration, in addition to excellent conformality on 3D device surfaces, are required. Spin-on doping has shown promise as a conventional technique for doping new materials, particularly through application with other dopant methods, but may not be suitable for conformal doping of nanostructures. Additionally, residues remain after most spin-on-doping processes which are often difficult to remove. In-situ doping of nanostructures is especially common for bottom-up grown nanostructures but problems associated with concentration gradients and morphology changes are commonly experienced. Monolayer doping (MLD) has been shown to satisfy the requirements for extended defect-free, conformal and controllable doping on many materials ranging from traditional silicon and germanium devices to emerging replacement materials such as III-V compounds but challenges still remain, especially with regard to metrology and surface chemistry at such small feature sizes. This article summarises and critically assesses developments over the last number of years regarding the application of gas and solution phase techniques to dope silicon-, germanium- and III-V-based materials and nanostructures to obtain shallow diffusion depths coupled with high carrier concentrations and abrupt junctions.

Optical Characterization of the Hole Polaron in a Series of Diketopyrrolopyrrole Polymers Used for Organic Photovoltaics

Abstract: A strategy that is often used for designing low band gap polymers involves the incorporation of electron-rich (donor) and electron-deficient (acceptor) conjugated segments within the polymer backbone. In this paper we investigate such a series of Diketopyrrolopyrrole (DPP)-based co-polymers. The co-polymers consisted of a DPP unit attached to a phenylene, naphthalene, or anthracene unit. Additionally, polymers utilizing either the thiophene-flanked DPP or the furan-flanked DPP units paired with the naphthalene comonomer were compared. As these polymers have been used as donor materials and subsequent hole transporting materials in organic solar cells, we are specifically interested in characterizing the optical absorption of the hole polaron of these DPP based copolymers. We employ chemical doping, electrochemical doping, and photoinduced absorption (PIA) studies to probe the hole polaron absorption spectra. While some donor-acceptor polymers have shown an appreciable capacity to generate free charge carriers upon photoexcitation, no polaron signal was observed in the PIA spectrum of the polymers in this study. The relations between molecular structure and optical properties are discussed. Keywords: organic solar cell; organic photovoltaic; diketopyrrolopyrrole; chemical doping; spectroelectrochemistry; photoinduced absorption; hole polaron

Reactivity and catalytic activity of layered YBA2CU3O7-delta (123) type defect perovskites

The chemical modifications of structure, reactivity and catalytic properties of layered triple perovskite oxides, related to the YBa2Cu3O7-delta (123) system, have been briefly reviewed. These oxides form a versatile family of materials with wide-ranging chemical and physical properties. The multiple sites available for chemical doping, and the ability to reversibly intercalate oxygen at the defect sites have rendered these oxides important model systems in the area of oxide catalysis. An attempt has been made to comprehend the hitherto known catalytic reactions and correlate them to various factors like structure, oxygen diffusional limitations, different geometries adopted by various substituents, oxidative non-stoichiometry and activation energy for oxygen desorption. In particular, results on the enhanced catalytic activity of cobalt-substituted 123 oxide systems towards the selective catalytic oxidation of ammonia to nitric oxide and carbon monoxide to carbon dioxide are presented.

Synthesis, properties and applications of graphene doped with boron, nitrogen and other elements

Chemical doping of graphene becomes necessary to create a band gap which is useful for various applications. Furthermore, chemical doping of elements like boron and nitrogen in graphene gives rise to useful properties. Since chemically doped graphene is both of academic and technical importance, we have prepared this article on the present status of various aspects of this important class of materials. In doing so, we have covered the recent literature on this subject citing all the major references. Some of the aspects that we have covered are the synthesis of chemically doped graphene followed by properties and applications. The applications discussed relate to gas adsorption, lithium batteries, supercapacitors, oxygen reduction reaction, field emission and photochemical water splitting. Characterization of chemically doped graphene also included. We believe that the article will be useful to all those interested in graphene and related materials and provides the present status of the subject. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Prospects of zero Schottky barrier height in a graphene-inserted MoS2-metal interface

A low Schottky barrier height (SBH) at source/drain contact is essential for achieving high drive current in atomic layer MoS(2-)channel-based field effect transistors. Approaches such as choosing metals with appropriate work functions and chemical doping are employed previously to improve the carrier injection from the contact electrodes to the channel and to mitigate the SBH between the MoS2 and metal. Recent experiments demonstrate significant SBH reduction when graphene layer is inserted between metal slab (Ti and Ni) and MoS2. However, the physical or chemical origin of this phenomenon is not yet clearly understood. In this work, density functional theory simulations are performed, employing pseudopotentials with very high basis sets to get insights of the charge transfer between metal and monolayer MoS2 through the inserted graphene layer. Our atomistic simulations on 16 different interfaces involving five different metals (Ti, Ag, Ru, Au, and Pt) reveal that (i) such a decrease in SBH is not consistent among various metals, rather an increase in SBH is observed in case of Au and Pt; (ii) unlike MoS2-metal interface, the projected dispersion of MoS2 remains preserved in any MoS2-graphene- metal system with shift in the bands on the energy axis. (iii) A proper choice of metal (e.g., Ru) may exhibit ohmic nature in a graphene-inserted MoS2-metal contact. These understandings would provide a direction in developing high-performance transistors involving heteroatomic layers as contact electrodes. (c) 2016 AIP Publishing LLC.

Propriétés optiques dans l'infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène

Les nanotubes de carbone et le graphène sont des nanostructures de carbone hybridé en sp2 dont les propriétés électriques et optiques soulèvent un intérêt considérable pour la conception d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques et de matériaux actifs optiquement. Or, de nombreux défis demeurent avant leur mise en œuvre dans des procédés industriels à grande échelle. La chimie des matériaux, et spécialement la fonctionnalisation covalente, est une avenue privilégiée afin de résoudre les difficultés reliées à la mise en œuvre de ces nanostructures. La fonctionnalisation covalente a néanmoins pour effet de perturber la structure cristalline des nanostructures de carbone sp2 et, par conséquent, d’affecter non seulement lesdites propriétés électriques, mais aussi les propriétés optiques en émanant. Il est donc primordial de caractériser les effets des défauts et du désordre dans le but d’en comprendre les conséquences, mais aussi potentiellement d’en exploiter les retombées. Cette thèse traite des propriétés optiques dans l’infrarouge des nanotubes de carbone et du graphène, avec pour but de comprendre et d’expliquer les mécanismes fondamentaux à l’origine de la réponse optique dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Soumise à des règles de sélection strictes, la spectroscopie infrarouge permet de mesurer la conductivité en courant alternatif à haute fréquence des matériaux, dans une gamme d’énergie correspondant aux vibrations moléculaires, aux modes de phonons et aux excitations électroniques de faible énergie. Notre méthode expérimentale consiste donc à explorer un espace de paramètres défini par les trois axes que sont i. la dimensionnalité du matériau, ii. le potentiel chimique et iii. le niveau de désordre, ce qui nous permet de dégager les diverses contributions aux propriétés optiques dans l’infrarouge des nanostructures de carbone sp2. Dans un premier temps, nous nous intéressons à la spectroscopie infrarouge des nanotubes de carbone monoparois sous l’effet tout d’abord du dopage et ensuite du niveau de désordre. Premièrement, nous amendons l’origine couramment acceptée du spectre vibrationnel des nanotubes de carbone monoparois. Par des expériences de dopage chimique contrôlé, nous démontrons en effet que les anomalies dans lespectre apparaissent grâce à des interactions électron-phonon. Le modèle de la résonance de Fano procure une explication phénoménologique aux observations. Ensuite, nous établissons l’existence d’états localisés induits par la fonctionnalisation covalente, ce qui se traduit optiquement par l’apparition d’une bande de résonance de polaritons plasmons de surface (nanoantenne) participant au pic de conductivité dans le térahertz. Le dosage du désordre dans des films de nanotubes de carbone permet d’observer l’évolution de la résonance des nanoantennes. Nous concluons donc à une segmentation effective des nanotubes par les greffons. Enfin, nous montrons que le désordre active des modes de phonons normalement interdits par les règles de sélection de la spectroscopie infrarouge. Les collisions élastiques sur les défauts donnent ainsi accès à des modes ayant des vecteurs d’onde non nuls. Dans une deuxième partie, nous focalisons sur les propriétés du graphène. Tout d’abord, nous démontrons une méthode d’électrogreffage qui permet de fonctionnaliser rapidement et à haute densité le graphène sans égard au substrat. Par la suite, nous utilisons l’électrogreffage pour faire la preuve que le désordre active aussi des anomalies dépendantes du potentiel chimique dans le spectre vibrationnel du graphène monocouche, des attributs absents du spectre d’un échantillon non fonctionnalisé. Afin d’expliquer le phénomène, nous présentons une théorie basée sur l’interaction de transitions optiques intrabandes, de modes de phonons et de collisions élastiques. Nous terminons par l’étude du spectre infrarouge du graphène comportant des îlots de bicouches, pour lequel nous proposons de revoir la nature du mécanisme de couplage à l’œuvre à la lumière de nos découvertes concernant le graphène monocouche.

Studies all transport and magnetic properties of nano particle doped MgB2 superconductor for technological applications

This thesis Entitled Studies on transport and magnetic properties of nano particle doped mgb2 superconductor for technological applications.The thesis ahead focuses on the establishment of enhanced superconducting properties in bulk MgB2 via nano particle doping and its conversion into mono/multifilamentary wires. Further, an attempt has also been made to develop prototypes of MgB2 coil and conduction cooled current lead for technological applications. The thesis is configured into 6 chapters. The opening chapter gives an idea on the phenomenon of superconductivity, the various types of superconductors and its applications in different fields. The second chapter is an introduction on MgB2 superconductor and its relevance which includes crystal and electronic structure, superconducting mechanism, basic superconducting properties along with its present international status. The third chapter provides details on the preparation and characterization techniques followed through out the study on MgB2. Fourth chapter discusses the effect of processing temperature and chemical doping using nano sized dopants on the superconducting properties of MgB2• Fifth chapter deals with the optimization of processing parameters and novel preparation techniques for wire fabrication. Sixth chapter furnishes the preparation of multifilamentary wires with various filament configurations, their electromechanical properties and it also incorporates the development of an MgB2 coil and a general purpose conduction cooled current lead.

Functional surface chemistry of carbon-based nanostructures

The recently discovered abilities to synthesize single-walled carbon nanotubes and prepare single layer graphene have spurred interest in these sp2-bonded carbon nanostructures. In particular, studies of their potential use in electronic devices are many as silicon integrated circuits are encountering processing limitations, quantum effects, and thermal management issues due to rapid device scaling. Nanotube and graphene implementation in devices does come with significant hurdles itself. Among these issues are the ability to dope these materials and understanding what influences defects have on expected properties. Because these nanostructures are entirely all-surface, with every atom exposed to ambient, introduction of defects and doping by chemical means is expected to be an effective route for addressing these issues. Raman spectroscopy has been a proven characterization method for understanding vibrational and even electronic structure of graphene, nanotubes, and graphite, especially when combined with electrical measurements, due to a wealth of information contained in each spectrum. In Chapter 1, a discussion of the electronic structure of graphene is presented. This outlines the foundation for all sp2-bonded carbon electronic properties and is easily extended to carbon nanotubes. Motivation for why these materials are of interest is readily gained. Chapter 2 presents various synthesis/preparation methods for both nanotubes and graphene, discusses fabrication techniques for making devices, and describes characterization methods such as electrical measurements as well as static and time-resolved Raman spectroscopy. Chapter 3 outlines changes in the Raman spectra of individual metallic single-walled carbon nantoubes (SWNTs) upon sidewall covalent bond formation. It is observed that the initial degree of disorder has a strong influence on covalent sidewall functionalization which has implications on developing electronically selective covalent chemistries and assessing their selectivity in separating metallic and semiconducting SWNTs. Chapter 4 describes how optical phonon population extinction lifetime is affected by covalent functionalization and doping and includes discussions on static Raman linewidths. Increasing defect concentration is shown to decrease G-band phonon population lifetime and increase G-band linewidth. Doping only increases G-band linewidth, leaving non-equilibrium population decay rate unaffected. Phonon mediated electron scattering is especially strong in nanotubes making optical phonon decay of interest for device applications. Optical phonon decay also has implications on device thermal management. Chapter 5 treats doping of graphene showing ambient air can lead to inadvertent Fermi level shifts which exemplifies the sensitivity that sp2-bonded carbon nanostructures have to chemical doping through sidewall adsorption. Removal of this doping allows for an investigation of electron-phonon coupling dependence on temperature, also of interest for devices operating above room temperature. Finally, in Chapter 6, utilizing the information obtained in previous chapters, single carbon nanotube diodes are fabricated and characterized. Electrical performance shows these diodes are nearly ideal and photovoltaic response yields 1.4 nA and 205 mV of short circuit current and open circuit voltage from a single nanotube device. A summary and discussion of future directions in Chapter 7 concludes my work.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Fonctionnalisation covalente de monocouches et bicouches de graphène

Le graphène est une nanostructure de carbone hybridé sp2 dont les propriétés électroniques et optiques en font un matériau novateur avec un très large potentiel d’application. Cependant, la production à large échelle de ce matériau reste encore un défi et de nombreuses propriétés physiques et chimiques doivent être étudiées plus en profondeur pour mieux les exploiter. La fonctionnalisation covalente est une réaction chimique qui a un impact important dans l’étude de ces propriétés, car celle-ci a pour conséquence une perte de la structure cristalline des carbones sp2. Néanmoins, la réaction a été très peu explorée pour ce qui est du graphène déposé sur des surfaces, car la réactivité chimique de ce dernier est grandement dépendante de l’environnement chimique. Il est donc important d’étudier la fonctionnalisation de ce type de graphène pour bien comprendre à la fois la réactivité chimique et la modification des propriétés électroniques et optiques pour pouvoir exploiter les retombées. D’un autre côté, les bicouches de graphène sont connues pour avoir des propriétés très différentes comparées à la monocouche à cause d’un empilement des structures électroniques, mais la croissance contrôlée de ceux-ci est encore très difficile, car la cinétique de croissance n’est pas encore maîtrisée. Ainsi, ce mémoire de maîtrise va porter sur l’étude de la réactivité chimique du graphène à la fonctionnalisation covalente et de l’étude des propriétés optiques du graphène. Dans un premier temps, nous avons effectué des croissances de graphène en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. Après avoir réussi à obtenir du graphène monocouche, nous faisons varier les paramètres de croissance et nous nous rendons compte que les bicouches apparaissent lorsque le gaz carboné nécessaire à la croissance reste présent durant l’étape de refroidissement. À partir de cette observation, nous proposons un modèle cinétique de croissance des bicouches. Ensuite, nous effectuons une étude approfondie de la fonctionnalisation du graphène monocouche et bicouche. Tout d’abord, nous démontrons qu’il y a une interaction avec le substrat qui inhibe grandement le greffage covalent sur la surface du graphène. Cet effet peut cependant être contré de plusieurs façons différentes : 1) en dopant chimiquement le graphène avec des molécules réductrices, il est possible de modifier le potentiel électrochimique afin de favoriser la réaction; 2) en utilisant un substrat affectant peu les propriétés électroniques du graphène; 3) en utilisant la méthode d’électrogreffage avec une cellule électrochimique, car elle permet une modulation contrôlée du potentiel électrochimique du graphène. De plus, nous nous rendons compte que la réactivité chimique des bicouches est moindre dû à la rigidité de structure due à l’interaction entre les couches. En dernier lieu, nous démontrons la pertinence de la spectroscopie infrarouge pour étudier l’effet de la fonctionnalisation et l’effet des bicouches sur les propriétés optiques du graphène. Nous réussissons à observer des bandes du graphène bicouche dans la région du moyen infrarouge qui dépendent du dopage. Normalement interdites selon les règles de sélection pour la monocouche, ces bandes apparaissent néanmoins lorsque fonctionnalisée et changent grandement en amplitude dépendamment des niveaux de dopage et de fonctionnalisation.

Synthesis of GaN nanowires and nano-pyramids in a two-hot-boat chemical vapor deposition system via an in-doping technique

A two-hot-boat chemical vapor deposition system was modified from a thermal evaporation equipment. This system has the advantage of high vacuum, rapid heating rate and temperature separately controlled boats for the source and samples. These are in favor of synthesizing compound semiconducting nano-materials. By the system, we have synthesized high-quality wurtzite single crystal GaN nanowires and nanotip triangle pyramids via an in-situ doping indium surfactant technique on Si and 3C-SiC epilayer/Si substrates. The products were analyzed by x-ray diffraction, field emission scanning electron microscopy, highresolution transmission electron microscopy, energy- dispersive x-ray spectroscopy, and photoluminescence measurements. The GaN nanotip triangle pyramids, synthesized with this novel method, have potential application in electronic/ photonic devices for field-emission and laser.