Grafeen is een veelbelovend materiaal voor de nano-elektronica van morgen. Nauwkeurige en opschaalbare methoden om grafeen en afgeleide materialen met gewenste elektronische eigenschappen te fabriceren, worden echter nog steeds gezocht. Om de huidige beperkingen te overwinnen, Empa-onderzoekers hebben grafeenachtige materialen gefabriceerd met behulp van een chemische oppervlakteroute en de bijbehorende reactieroute in detail verduidelijkt. Het werk is zojuist gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift "Nature Chemistry". De wetenschappers combineerden empirische waarnemingen met behulp van scanning tunneling microscopie met computersimulaties.

Elektronische componenten worden steeds kleiner, waarbij micro-elektronische componenten geleidelijk worden vervangen door nano-elektronische componenten. Op nanoschaal dimensies, silicium, dat momenteel het meest gebruikte materiaal in de halfgeleidertechnologie is, bereikt echter een grens, verdere miniaturisering en technologische vooruitgang te voorkomen. Er is dan ook veel vraag naar nieuwe elektronische materialen. Door zijn uitstekende elektronische eigenschappen, grafeen, een tweedimensionaal koolstofnetwerk, wordt beschouwd als een mogelijke vervanging. Echter, er moeten verschillende obstakels worden overwonnen voordat grafeen kan worden gebruikt in de halfgeleidertechnologie. Bijvoorbeeld, momenteel is er geen eenvoudig toepasbare methode voor grootschalige verwerking van grafeenachtige materialen.

Empa-onderzoekers van het nanotech@surfaces Laboratory rapporteerden over een chemische oppervlakteroute om kleine fragmenten van grafeen te fabriceren, zogenaamde nanografenen. Met behulp van een prototypische polyfenyleenprecursor, de onderzoekers verduidelijkten, samen met wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz (Duitsland) en de Universiteit van Zürich, hoe het reactiepad in detail loopt op een koperoppervlak en hoe de bouwstenen direct op het oppervlak kunnen worden omgezet in vlakke nanografenen. Het werk is afgelopen zondag gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurchemie als een geavanceerde online publicatie.

Succesvolle partners:experiment en simulatie

Voor hun onderzoek combineerden de onderzoekers empirische waarnemingen, in het bijzonder van scanning tunneling microscopie met computersimulaties. De simulaties worden gebruikt om te bepalen of een theoretisch mogelijke reactiestap energetisch mogelijk is of niet. Het resultaat:het reactiepad bestaat uit zes stappen met vijf tussenproducten. Twee ervan worden door het oppervlak gestabiliseerd, zodat ze stabiel kunnen worden afgebeeld met de scanning tunneling microscoop. De reactiebarrières die de verschillende tussenproducten verbinden, worden verlaagd door een katalytisch effect van het substraat.

Om in elektronische schakelingen te kunnen worden geïntegreerd, het grafeenachtige materiaal moet echter worden vervaardigd op halfgeleideroppervlakken in plaats van metalen. De onderzoekers hebben gesimuleerd of hun aanpak ook op deze oppervlakken zou kunnen werken en de resultaten zijn veelbelovend, waaruit blijkt dat oppervlakte-ondersteunde synthese een mogelijke manier is om op maat gemaakte nanografenen te fabriceren op een reeks verschillende substraten.

De drie pijlers van de hedendaagse wetenschap:theorie, experiment, en simulatie

Vooruitgang in het hedendaagse wetenschappelijk onderzoek steunt tegelijkertijd op theorie, experimenten, en in toenemende mate op computersimulaties. Deze simulaties zijn complementair aan vaak complexe laboratoriumexperimenten en maken het mogelijk om meer informatie te krijgen die niet alleen met experimentele methoden kan worden verkregen. De combinatie van experimenten en simulaties en de afgeleide theorieën maken daarom een ​​steeds nauwkeurigere verklaring en nauwkeurige voorspelling van natuurlijke fenomenen mogelijk.