In het recente nummer van Natuur , Europese wetenschappers van Empa en het Max Planck Institute for Polymer Research rapporteren hoe ze er voor het eerst in geslaagd zijn grafeenlinten te kweken die slechts enkele nanometers breed zijn met behulp van een eenvoudige chemische methode op het oppervlak. Grafeenlinten worden beschouwd als "hete kandidaten" voor toekomstige elektronicatoepassingen, omdat hun eigenschappen kunnen worden aangepast door middel van breedte en randvorm.

Transistoren op basis van grafeen worden gezien als mogelijke opvolgers van de huidige siliciumcomponenten. Grafeen bestaat uit tweedimensionale koolstoflagen en heeft een aantal uitstekende eigenschappen:het is niet alleen harder dan diamant, extreem scheurvast en ondoordringbaar voor gassen, maar het is ook een uitstekende elektrische en thermische geleider. Echter, aangezien grafeen een halfmetaal is dat het mist, in tegenstelling tot silicium, een elektronische band gap en heeft daarom geen schakelvermogen dat essentieel is voor elektronische toepassingen. Wetenschappers van Empa, het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz (Duitsland), ETH Zürich en de universiteiten van Zürich und Bern hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld voor het maken van grafeenlinten met bandhiaten.

Daten, grafeenlinten zijn "geknipt" uit grotere grafeenvellen, verwant aan tagliatelle die uit pastadeeg wordt gesneden. Of koolstofnanobuisjes werden in de lengte opengesneden en uitgerold. Dit geeft aanleiding tot een bandgap via een kwantummechanisch effect - de kloof is een energiebereik dat niet kan worden ingenomen door elektronen en dat de fysieke eigenschappen bepaalt, zoals de schakelmogelijkheid. De breedte (en randvorm) van het grafeenlint bepaalt de grootte van de band gap en beïnvloedt daarmee de eigenschappen van componenten die uit het lint zijn opgebouwd.

Als extreem smalle grafeenlinten (ruim minder dan 10 nanometer breed) die ook goed gedefinieerde randen hebben, zouden kunnen worden vervaardigd, dus de redenering dan kunnen ze componenten met specifieke optische en elektronische eigenschappen mogelijk maken:afhankelijk van de vereisten, aanpassing van de band gap zou kunnen worden gebruikt om de schakelkarakteristieken van een transistor te verfijnen. Dit is geen geringe prestatie, als de lithografische methoden die tot nu toe werden gebruikt, bijvoorbeeld voor het snijden van grafeenlagen, tegen fundamentele barrières aanlopen; ze leveren linten op die te breed zijn en diffuse randen hebben.

In het nummer van Natuur gepubliceerd op 22 juli 2010, wetenschappers onder leiding van Roman Fasel, Senior Scientist bij Empa en Professor voor Chemie en Biochemie aan de Universiteit van Bern, en Klaus Müllen, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek, een eenvoudige chemische methode op het oppervlak beschrijven om zulke smalle linten te maken zonder te hoeven knippen, in een bottom-upbenadering, d.w.z. vanuit de basisbouwstenen. Om dit te behalen, ze verspreiden speciaal ontworpen halogeen-gesubstitueerde monomeren op gouden en zilveren oppervlakken onder ultrahoog vacuüm. Deze worden in een eerste reactiestap gekoppeld tot polyfenyleenketens.

In een tweede reactiestap, gestart door iets hogere verwarming, waterstofatomen worden verwijderd en de ketens worden met elkaar verbonden om een ​​vlakke, aromatisch grafeensysteem. Dit resulteert in grafeenlinten met de dikte van een enkel atoom die één nanometer breed en tot 50 nm lang zijn. De grafeenlinten zijn dus zo smal dat ze een elektronische bandgap vertonen en daarom, zoals het geval is met silicium, over schakeleigenschappen beschikken - een eerste en belangrijke stap voor de verschuiving van siliciummicro-elektronica naar grafeen-nano-elektronica. En alsof dit nog niet genoeg was, grafeenlinten met verschillende ruimtelijke structuren (hetzij rechte lijnen of met zigzagvormen) worden gecreëerd, afhankelijk van welke moleculaire monomeren de wetenschappers gebruikten.

Omdat de wetenschappers nu (bijna) grafeenlinten naar believen kunnen produceren, ze willen hun eigendommen gaan onderzoeken, bijvoorbeeld hoe de magnetische eigenschappen van de grafeenlinten kunnen worden beïnvloed door verschillende randstructuren. De op het oppervlak gebaseerde chemische methode opent ook interessante mogelijkheden met betrekking tot de gerichte dotering van grafeenlinten:het gebruik van monomeercomponenten met stikstof- of booratomen op goed gedefinieerde posities of het gebruik van monomeren met extra functionele groepen moet de creatie van positief en negatief gedoteerde grafeenlinten.

Een combinatie van verschillende monomeren is ook mogelijk en kan toelaten, bijvoorbeeld, het creëren van zogenaamde heterojuncties - interfaces tussen verschillende soorten grafeenlinten, zoals linten met kleine en grote bandafstanden - die kunnen worden gebruikt in zonnecellen of hoogfrequente componenten. The scientists have already demonstrated that the underlying principle for this works:they have connected three graphene ribbons to each other at a nodal point by means of two suitable monomers.

Daten, the scientists have focused on graphene ribbons on metal surfaces. Echter, to be usable in electronics the graphene ribbons need to be created on semi-conductor surfaces or methods must be developed to transfer the ribbons from metal to semi-conductor surfaces. And first results in this direction also give the scientists good reasons to be optimistic.