Grafaan is het materiaal bij uitstek voor natuurkundigen op het snijvlak van materiaalwetenschap, en Rice University-onderzoekers zijn daar met het peloton - en misschien een beetje vooruit.

Onderzoekers begeleid door Boris Yakobson, een Rice hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en scheikunde, hebben ontdekt dat de strategische extractie van waterstofatomen uit een tweedimensionale laag grafaan op natuurlijke wijze ruimten van puur grafeen opent die eruitzien - en werken - als kwantumstippen.

Dat opent een nieuwe wereld van mogelijkheden voor een steeds kleiner wordende klasse van nano-elektronica die afhankelijk is van de zeer controleerbare halfgeleidende eigenschappen van kwantumdots, vooral op het gebied van geavanceerde optica.

Het theoretische werk van Abhishek Singh en Evgeni Penev, beide postdoctorale onderzoekers in de groep van co-auteur Yakobson, werd vorige week online gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano en zal in juni op de omslag van de gedrukte versie staan. Rice werd onlangs uitgeroepen tot 's werelds nummer 1 instelling voor materiaalwetenschappelijk onderzoek door een publicatie in het Verenigd Koninkrijk.

Grafeen is de Flat Stanley onder de materialen geworden. De één-atoom-dikke, honingraatachtige vorm van koolstof kan tweedimensionaal zijn, maar het lijkt overal te zijn, aangeprezen als een oplossing om buiten de grenzen van de wet van Moore te treden.

Grafaan is eenvoudigweg grafeen gemodificeerd door waterstofatomen toegevoegd aan beide zijden van de matrix, waardoor het een isolator wordt. Hoewel het technisch gezien nog steeds maar één atoom dik is, grafaan biedt grote mogelijkheden voor het manipuleren van de halfgeleidende eigenschappen van het materiaal.

Quantum dots zijn kristallijne moleculen van enkele tot vele atomen groot die op unieke manieren interageren met licht en magnetische velden. De grootte van een stip bepaalt de band gap - de hoeveelheid energie die nodig is om het circuit te sluiten - en maakt het tot op een precieze graad afstembaar. De frequenties van licht en energie die vrijkomen door geactiveerde stippen maken ze bijzonder nuttig voor chemische sensoren, zonnepanelen, medische beeldvorming en schakelingen op nanoschaal.

Singh en Penev berekenden dat het verwijderen van waterstofeilanden aan beide zijden van een grafaanmatrix een put achterlaat met alle eigenschappen van kwantumstippen, wat ook handig kan zijn bij het maken van arrays van punten voor veel toepassingen.

"We kwamen tot deze ideeën uit een geheel andere studie van energieopslag in de vorm van waterstofadsorptie op grafeen, " zei Yakobson. "Abhishek en Evgeni realiseerden zich dat deze fasetransformatie (van grafeen naar grafaan), vergezeld van de verandering van metaal naar isolator, biedt een nieuw palet voor nano-engineering."

Hun werk onthulde verschillende interessante kenmerken. Ze ontdekten dat wanneer brokken van het waterstofsubrooster worden verwijderd, het achtergebleven gebied is altijd zeshoekig, met een scherpe interface tussen grafeen en grafaan. Dit is belangrijk, ze zeiden, omdat het betekent dat elke stip in hoge mate ingesloten is; berekeningen tonen zeer weinig lekkage van lading in het grafaan gastheermateriaal. (Hoe, precies, om waterstofatomen uit het rooster te verwijderen blijft een vraag voor materiaalwetenschappers, wie zijn er mee bezig, ze zeiden.)

"Je hebt een atoomachtige spectra ingebed in een medium, en dan kun je spelen met de band gap door de grootte van de stip te veranderen, "Zei Singh. "Je kunt in wezen de optische eigenschappen afstemmen."

Naast optische toepassingen, de stippen kunnen nuttig zijn bij detectie van één molecuul en kunnen leiden tot zeer kleine transistors of halfgeleiderlasers, hij zei.

Er blijven uitdagingen bij het uitzoeken hoe je arrays van kwantumdots kunt maken in een vel grafaan, maar Singh noch Penev ziet de obstakels als onoverkomelijk.

"We denken dat de belangrijkste conclusies in het artikel voldoende zijn om experimentatoren op te winden, " zei Singh, die binnenkort Rice zal verlaten om assistent-professor te worden aan het Indian Institute of Science in Bangalore. "Sommigen werken al in de richting die we hebben verkend."

"Hun werk ondersteunt eigenlijk wat we voorstellen, dat je dit patroon op een gecontroleerde manier kunt doen, ' zei Penev.

Wanneer zouden hun berekeningen commerciële vruchten kunnen afwerpen? "Dat is een moeilijke vraag, "Zei Singh. "Zo ver zal het niet zijn, waarschijnlijk - maar er zijn uitdagingen. Ik weet niet of we het een tijdsbestek kunnen geven, maar het kan snel gebeuren."