(PhysOrg.com) -- Al in de jaren 90, lang voordat iemand grafeen had geïsoleerd - een honingraatrooster van koolstof van slechts één atoom dik - voorspelden theoretici buitengewone eigenschappen aan de randen van grafeen-nanoribbons. Nu natuurkundigen van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse ministerie van Energie, en hun collega's aan de University of California in Berkeley, Stanford universiteit, en andere instellingen, hebben de eerste nauwkeurige metingen gedaan van de "randtoestanden" van goed geordende nanolinten.

Een grafeen nanoribbon is een strook grafeen die misschien maar enkele nanometers breed is (een nanometer is een miljardste van een meter). Theoretici hebben zich voorgesteld dat nanolinten, afhankelijk van hun breedte en de hoek waaronder ze worden gesneden, unieke elektronische zou hebben, magnetisch, en optische kenmerken, inclusief bandhiaten zoals die in halfgeleiders, welk blad grafeen niet heeft.

"Tot nu toe heeft niemand theoretische voorspellingen kunnen testen met betrekking tot randtoestanden van nanoribbon, omdat niemand erachter kon komen hoe de structuur op atomaire schaal aan de rand van een goed geordend grafeen nanolint kon worden gezien en hoe, tegelijkertijd, om zijn elektronische eigenschappen binnen nanometers van de rand te meten, " zegt Michael Crommie van Berkeley Lab's Materials Sciences Division (MSD) en UC Berkeley's Physics Division, die het onderzoek leidde. "We hebben dit kunnen bereiken door speciaal gemaakte nanoribbons te bestuderen met een scanning tunneling-microscoop."

Het onderzoek van het team bevestigt niet alleen theoretische voorspellingen, maar opent ook de mogelijkheid om snelwerkende, energiezuinige apparaten op nanoschaal van grafeen-nanoribbon-schakelaars, draaiventielen, en detectoren, gebaseerd op ofwel elektronenlading of elektronenspin. Verderop op de weg, randstaten van grafeen nanoribbon openen de mogelijkheid van apparaten met afstembare gigantische magnetoweerstand en andere magnetische en optische effecten.

Crommie en zijn collega's hebben hun onderzoek gepubliceerd in Natuurfysica , beschikbaar 8 mei 2011 in geavanceerde online publicatie.

Het goedgehumeurde nanolint

"Het maken van vlokken en vellen grafeen is gemeengoed geworden, " zegt Crommie, "maar tot nu toe nanolinten geproduceerd door verschillende technieken hebben tentoongesteld, op zijn best, een hoge mate van inhomogeniteit" - meestal resulterend in ongeordende lintstructuren met slechts korte stukken rechte randen die willekeurig verschijnen. De essentiële eerste stap bij het detecteren van randtoestanden van nanoribbon is toegang tot uniforme nanoribbons met rechte randen, goed geordend op atomaire schaal.

Hongjie Dai van Stanford University's Department of Chemistry and Laboratory for Advanced Materials, een lid van het onderzoeksteam, loste dit probleem op met een nieuwe methode om koolstofnanobuisjes chemisch te "uitpakken". Grafeen gerold in een cilinder maakt een nanobuis, en wanneer nanobuisjes op deze manier worden uitgepakt, loopt het plakje recht door de lengte van de buis, goed geordend vertrekken, rechte randen.

Grafeen kan onder bijna elke hoek worden gewikkeld om een ​​nanobuis te maken. De manier waarop de nanobuis is verpakt, bepaalt de toonhoogte, of "chirale vector, " van de rand van het nanolint wanneer de buis wordt opengeritst. Een snede recht langs de buitenste atomen van een rij zeshoeken levert een zigzagrand op. Een snede gemaakt onder een hoek van 30 graden vanaf een zigzagrand gaat door het midden van de zeshoeken en levert geschulpte randen, bekend als "fauteuil" randen. Tussen deze twee uitersten bevindt zich een verscheidenheid aan chirale vectoren die randen beschrijven die op nanoschaal zijn getrapt, waarin, bijvoorbeeld, na elke paar zeshoeken wordt een zigzagsegment onder een hoek toegevoegd.

Van deze subtiele verschillen in randstructuur is voorspeld dat ze meetbaar verschillende fysieke eigenschappen opleveren, die mogelijk kunnen worden benut in nieuwe grafeentoepassingen. Steven Louie van UC Berkeley en Berkeley Lab's MSD was de theoreticus van het onderzoeksteam; met de hulp van postdoc Oleg Yazyev, Louie berekende de verwachte uitkomsten, die vervolgens werden getoetst aan experimenten.

Chenggang Tao van MSD en UCB leidde een team van afgestudeerde studenten bij het uitvoeren van scanning tunneling microscopie (STM) van de nanoribbons op een gouden substraat, die de posities van individuele atomen in de grafeen-nanoribbons oploste. Het team keek naar meer dan 150 hoogwaardige nanoribbons met verschillende chiraliteiten, die allemaal een onverwachte functie vertoonden, een regelmatige verhoogde rand nabij hun randen die een bult of afschuining vormen. Toen dit eenmaal was vastgesteld als een echt randkenmerk - niet het artefact van een gevouwen lint of een afgeplatte nanobuis - konden de chiraliteit en elektronische eigenschappen van goed geordende nanolintranden met vertrouwen worden gemeten, en de theoretisch gemodelleerde randgebieden.

Elektronica aan de rand

"Tweedimensionale grafeenplaten zijn opmerkelijk in hoe vrij elektronen er doorheen bewegen, inclusief het feit dat er geen band gap is, Crommie zegt. "Nanoribbons zijn anders:elektronen kunnen vast komen te zitten in smalle kanalen langs de randen van nanoribbons. Deze randtoestanden zijn eendimensionaal, maar de elektronen aan de ene kant kunnen nog steeds interageren met de randelektronen aan de andere kant, waardoor er een energiekloof ontstaat."

Een STM gebruiken in spectroscopiemodus (STS), het team mat veranderingen in de elektronische dichtheid toen een STM-tip van een nanoribbon-rand naar binnen naar binnen werd bewogen. Op deze manier werden nanoribbons van verschillende breedtes onderzocht. De onderzoekers ontdekten dat elektronen beperkt zijn tot de rand van de nanoribbons, en dat deze nanoribbon-edge-elektronen een uitgesproken splitsing in hun energieniveaus vertonen.

"In de kwantumwereld elektronen kunnen worden beschreven als golven naast deeltjes, " merkt Crommie op. Hij zegt dat een manier om je voor te stellen hoe verschillende randtoestanden ontstaan, is om je een elektronengolf voor te stellen die de lengte van het lint vult en de atomen aan de rand afbuigt. De diffractiepatronen lijken op watergolven die door spleten in een barrière komen.

For nanoribbons with an armchair edge, the diffraction pattern spans the full width of the nanoribbon; the resulting electron states are quantized in energy and extend spatially throughout the entire nanoribbon. For nanoribbons with a zigzag edge, echter, the situation is different. Here diffraction from edge atoms leads to destructive interference, causing the electron states to localize near the nanoribbon edges. Their amplitude is greatly reduced in the interior.

The energy of the electron, the width of the nanoribbon, and the chirality of its edges all naturally affect the nature and strength of these nanoribbon electronic states, an indication of the many ways the electronic properties of nanoribbons can be tuned and modified.

Says Crommie, "The optimist says, 'Wow, look at all the ways we can control these states – this might allow a whole new technology!' The pessimist says, 'Uh-oh, look at all the things that can disturb a nanoribbon's behavior – how are we ever going to achieve reproducibility on the atomic scale?'"

Crommie himself declares that "meeting this challenge is a big reason for why we do research. Nanoribbons have the potential to form exciting new electronic, magnetisch, and optical devices at the nanoscale. We might imagine photovoltaic applications, where absorbed light leads to useful charge separation at nanoribbon edges. We might also imagine spintronics applications, where using a side-gate geometry would allow control of the spin polarization of electrons at a nanoribbon's edge."

Although getting there won't be simple -- "The edges have to be controlled, " Crommie emphasizes -- "what we've shown is that it's possible to make nanoribbons with good edges and that they do, inderdaad, have characteristic edge states similar to what theorists had expected. This opens a whole new area of future research involving the control and characterization of graphene edges in different nanoscale geometries."