(PhysOrg.com) -- Terwijl veel laboratoria proberen om op efficiënte wijze grote tweedimensionale vellen grafeen te synthetiseren, een team van onderzoekers uit Zweden en het VK onderzoekt de synthese van zeer dunne reepjes grafeen van slechts een paar atomen breed. In tegenstelling tot grafeen, deze grafeen nanoribbons hebben een unieke elektronische structuur inclusief een niet-nul band gap, waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor halfgeleidertoepassingen. Maar, zoals bij grafeenvellen, een van de grootste uitdagingen voor nu is het vinden van een manier om deze grafeen nanoribbons efficiënt te synthetiseren.

In hun studie hebben onderzoekers Jonas Björk en Sven Stafström van de Universiteit van Linköping in Zweden en Felix Hanke van de Universiteit van Liverpool in het Verenigd Koninkrijk hebben een krachtige supercomputer van de Universiteit van Linköping gebruikt om te onderzoeken hoe grafeen-nanoribbons groeien uit een antraceenpolymeer op een gouden substraat. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society .

De wetenschappers ontdekten dat, in het meest waarschijnlijke groeiproces van nanoribbon, het goudsubstraat fungeert als meer dan alleen een drager waar de reactie kan plaatsvinden. Het goud katalyseert in feite de reactie door waterstofatomen aan te trekken uit het antraceenpolymeer (dat is gemaakt van benzeenringen) om zich aan het goudoppervlak te binden, het initiëren van de eerste stap van de reactie. In dit proces van "dehydrogenering", twee waterstofatomen van elke eenheid van het antraceenpolymeer worden overgebracht naar het goudoppervlak, waarbij een koolstof-koolstofbinding achterblijft. De koolstof-koolstofbinding maakt deel uit van het honingraatrooster van grafeen. In de tussentijd, de waterstofatomen komen vrij van het goudoppervlak door desorptie in het vacuüm.

De supercomputer onthulde ook dat deze dehydrogeneringsreactie zich herhaalt vanwege de effecten van positieve coöperativiteit:wanneer een polymeereenheid een buur heeft die een koolstof-koolstofbinding heeft, de kans op het ondergaan van dezelfde reactie en het verkrijgen van zijn eigen koolstof-koolstofbinding neemt toe. Het resultaat is dat de reactie, die begint aan het ene uiteinde van het polymeer, plant zich eenheid voor eenheid door het gehele polymeer op een domino-achtige manier voort. Na enkele minuten, het hele polymeer wordt omgezet in een goed gedefinieerd grafeen nanolint met een breedte van zeven koolstofatomen.

Uitzoeken hoe grafeen nanoribbons op deze manier worden gesynthetiseerd, is een ingewikkeld proces op moleculaire schaal dat alleen in detail kan worden ontrafeld door krachtige supercomputers. Hoewel er een paar andere reactieroutes zijn die de reactie kan nemen, berekenden de onderzoekers dat deze reactie zeer de voorkeur geniet boven de andere:ze schatten dat 10, 000 reacties verlopen langs deze route dan via de op één na gunstigste reactie. Door de reactie te begrijpen, kunnen de onderzoekers de beste fabricagemethode identificeren voor toekomstige experimenten en ontwikkeling.

“Dit is een vraag over het bouwen van materialen, ofwel 'bottom-up' (synthese van de bestanddelen) versus 'top-down' (iets groters nemen en op maat snijden), ” vertelde Hanke PhysOrg.com . “De bottom-up in de grafeen nanoribbons-benadering is erg interessant omdat het ons in staat stelt om te beginnen met de ultieme limiet voor de grootte van een materiaal (een atoom, of, zeggen, een klein molecuul) en voeg dan alleen die stukjes toe die echt, echt nodig. Bovendien, het stelt ons ook in staat om grafeen nanoribbons te maken die consistent dezelfde breedte hebben van, zeggen, zeven Angstrom (7x10 ^-10 m), gewoon door ervoor te zorgen dat de ingrediënten alleen polyantraceen zijn en niet veel groters. Dit klinkt triviaal, maar het is eigenlijk heel moeilijk te bereiken in top-down benaderingen, vooral als atomaire precisie gewenst is.”

De toepassingen van grafeen nanoribbons (en grafeen zelf) staan ​​nog in de kinderschoenen, maar door hun eigenschappen zien de materialen er veelbelovend uit. Eerdere studies hebben aangetoond dat het regelen van de breedtes en randstructuren van grafeen-nanoribbons de elektronische eigenschappen van de linten kan afstemmen, wat zou kunnen leiden tot moleculaire elektronica zoals transistors. Door een beter begrip te krijgen van hoe grafeen nanoribbons groeien, inclusief de katalytische rol van het goudsubstraat en het domino-effect van de reactie, wetenschappers hebben een nieuwe stap gezet in de richting van deze toekomstige technologie.

“De belangrijkste hype achter grafeen nanoribbons is dat je ze moet kunnen gebruiken voor halfgeleidertoepassingen, wat te wijten is aan hun zeer wenselijke elektronische structuur die verschilt van de elektronische structuur van grafeen, ' zei Henk. “Het mooie van grafeen-nanoribbons is dat hun elektronische reactie simpelweg wordt bepaald door hun vorm. Daarom, het gecontroleerd kunnen begrijpen en bouwen van grafeen nanoribbons is een zeer belangrijk proces voor de verdere ontwikkeling van elektronica. Met name voor op antraceen gebaseerde nanolinten, we hebben een breedte die nog steeds ongeveer 30 keer kleiner is dan wat beschikbaar is in de huidige op halfgeleiders gebaseerde elektronica.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.