We introduce a technique that we call Space Charge Doping for electrostatic doping of 2D materials. This technique exploits the presence of mobile ionic species in glass to induce a charge imbalance at the glass-material interface. Ionic mobility in glass is species dependent and also dependent on the temperature and the applied electric field. Mobility of positive sodium ions is increased by heating and an applied electric field causes ion drift. The polarity of the electric field results in accumulation or depletion of sodium ions at the glass surface inducing, respectively, electron or hole doping in the material placed on the surface, in this case graphene. Extremely high doping levels are reached (>1014cm2) without compromising graphene quality and with reversibility, bipolarity, and stability in time.

1.
S.
Oh
,
T. A.
Crane
,
D. J.
Van Harlingen
, and
J. N.
Eckstein
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
107003
(
2006
).
2.
X.
Leng
,
J.
Garcia-Barriocanal
,
S.
Bose
,
Y.
Lee
, and
A. M.
Goldman
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
027001
(
2011
).
3.
A.
Kumar
and
C.
Zhou
,
ACS Nano
4
,
11
(
2010
).
4.
D. S.
Hecht
,
L.
Hu
, and
G.
Irvin
,
Adv. Mater.
23
,
1482
(
2011
).
5.
S.
De
,
T. M.
Higgins
,
P. E.
Lyons
,
E. M.
Doherty
,
P. N.
Nirmalraj
,
W. J.
Blau
,
J. J.
Boland
, and
J. N.
Coleman
,
ACS Nano
3
,
1767
(
2009
).
6.
J.-Y.
Lee
,
S. T.
Connor
,
Y.
Cui
, and
P.
Peumans
,
Nano Lett.
8
,
689
(
2008
).
7.
F.
Mirri
,
A. W. K.
Ma
,
T. T.
Hsu
,
N.
Behabtu
,
S. L.
Eichmann
,
C. C.
Young
,
D. E.
Tsentalovich
, and
M.
Pasquali
,
ACS Nano
6
,
9737
(
2012
).
8.
J.
van de Lagemaat
,
T. M.
Barnes
,
G.
Rumbles
,
S. E.
Shaheen
,
T. J.
Coutts
,
C.
Weeks
,
I.
Levitsky
,
J.
Peltola
, and
P.
Glatkowski
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
233503
(
2006
).
9.
H.
Park
,
J. A.
Rowehl
,
K. K.
Kim
,
V.
Bulovic
, and
J.
Kong
,
Nanotechnology
21
,
505204
(
2010
).
10.
S.
Bae
,
H.
Kim
,
Y.
Lee
,
X.
Xu
,
J.-S.
Park
,
Y.
Zheng
,
J.
Balakrishnan
,
T.
Lei
,
H. R.
Kim
,
Y. I.
Song
,
Y.-J.
Kim
,
K. S.
Kim
,
B.
Ozyilmaz
,
J.-H.
Ahn
,
B. H.
Hong
, and
S.
Iijima
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
574
(
2010
).
11.
S.
Bae
,
S. J.
Kim
,
D.
Shin
,
J.-H.
Ahn
, and
B. H.
Hong
,
Phys. Scr.
T146
,
014024
(
2012
).
12.
J.
Wu
,
H. A.
Becerril
,
Z.
Bao
,
Z.
Liu
,
Y.
Chen
, and
P.
Peumans
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
263302
(
2008
).
13.
J.
Wu
,
M.
Agrawal
,
H. A.
Becerril
,
Z.
Bao
,
Z.
Liu
,
Y.
Chen
, and
P.
Peumans
,
ACS Nano
4
,
43
(
2010
).
14.
K. S.
Kim
,
Y.
Zhao
,
H.
Jang
,
S. Y.
Lee
,
J. M.
Kim
,
K. S.
Kim
,
J.-H.
Ahn
,
P.
Kim
,
J.-Y.
Choi
, and
B. H.
Hong
,
Nature
457
,
706
(
2009
).
15.
K. K.
Kim
,
A.
Reina
,
Y.
Shi
,
H.
Park
,
L.-J.
Li
,
Y. H.
Lee
, and
J.
Kong
,
Nanotechnology
21
,
285205
(
2010
).
16.
Y.
Shi
,
K. K.
Kim
,
A.
Reina
,
M.
Hofmann
,
L.-J.
Li
, and
J.
Kong
,
ACS Nano
4
,
2689
(
2010
).
17.
A.
Das
,
S.
Pisana
,
B.
Chakraborty
,
S.
Piscanec
,
S. K.
Saha
,
U. V.
Waghmare
,
K. S.
Novoselov
,
H. R.
Krishnamurthy
,
A. K.
Geim
,
A. C.
Ferrari
, and
A. K.
Sood
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
210
(
2008
).
18.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
19.
K.
Taniguchi
,
A.
Matsumoto
,
H.
Shimotani
, and
H.
Takagi
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
1
(
2012
).
20.
J. T.
Ye
,
S.
Inoue
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Kasahara
,
H. T.
Yuan
,
H.
Shimotani
, and
Y.
Iwasa
,
Nat. Mater.
9
,
125
(
2010
).
21.
Y.
Lee
,
J.
Lee
,
S.
Kim
, and
H. S.
Park
,
J. Phys. Chem. C
118
,
18278
(
2014
).
22.
A.
Shukla
,
R.
Kumar
,
J.
Mazher
, and
A.
Balan
,
Solid State Commun.
149
,
718
(
2009
).
23.
A.
Balan
,
R.
Kumar
,
M.
Boukhicha
,
O.
Beyssac
,
J.-C.
Bouillard
,
D.
Taverna
,
W.
Sacks
,
M.
Marangolo
,
E.
Lacaze
,
R.
Gohler
,
W.
Escoffier
,
J.-M.
Poumirol
, and
A.
Shukla
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
43
,
374013
(
2010
).
24.
K.
Gacem
,
M.
Boukhicha
,
Z.
Chen
, and
A.
Shukla
,
Nanotechnology
23
,
505709
(
2012
).
25.
T.
Moldt
,
A.
Eckmann
,
P.
Klar
,
S. V.
Morozov
,
A. A.
Zhukov
,
K. S.
Novoselov
, and
C.
Casiraghi
,
ACS Nano
5
,
7700
(
2011
).
26.
H.
Mehrer
,
A. W.
Imre
, and
E.
Tanguep-Nijokep
,
J. Phys.: Conf. Ser.
106
,
012001
(
2008
).
27.
X.
Li
,
Y.
Zhu
,
W.
Cai
,
M.
Borysiak
,
B.
Han
,
D.
Chen
,
R. D.
Piner
,
L.
Colombo
, and
R. S.
Ruoff
,
Nano Lett.
9
,
4359
(
2009
).
28.
L. J.
van der Pauw
,
Philips Tech. Rev.
20
,
220
(
1958
).
29.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4932572 for experimental details, materials used, contact geometry, Hall and Raman measurements, and control measurements on quartz.
30.
A.
Pirkle
,
J.
Chan
,
A.
Venugopal
,
D.
Hinojos
,
C. W.
Magnuson
,
S.
McDonnell
,
L.
Colombo
,
E. M.
Vogel
,
R. S.
Ruoff
, and
R. M.
Wallace
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
122108
(
2011
).
31.
M.
Kalbac
,
A.
Reina-Cecco
,
H.
Farhat
, and
J.
Kong
,
ACS Nano
4
,
6055
(
2010
).
32.
C.-F.
Chen
,
C.-H.
Park
,
B. W.
Boudouris
,
J.
Horng
,
B.
Geng
,
C.
Girit
,
A.
Zettl
,
M. F.
Crommie
,
R. A.
Segalman
,
S. G.
Louie
, and
F.
Wang
,
Nature
471
,
617
(
2011
).
33.
A. C.
Ferrari
,
J. C.
Meyer
,
V.
Scardaci
,
C.
Casiraghi
,
M.
Lazzeri
,
F.
Mauri
,
S.
Piscanec
,
D.
Jiang
,
K. S.
Novoselov
,
S.
Roth
, and
A. K.
Geim
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
187401
(
2006
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.