Met behulp van grafeenlinten van onvoorstelbaar kleine breedtes - slechts enkele atomen breed - heeft een groep onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Milwaukee (UWM) een nieuwe manier gevonden om het wondermateriaal te "afstemmen", waardoor de uiterst efficiënte geleider van elektriciteit werkt als een halfgeleider.

In principe, hun methode om deze smalle linten te produceren - met een breedte die ongeveer gelijk is aan de diameter van een streng menselijk DNA - en het manipuleren van de elektrische geleidbaarheid van de linten zou kunnen worden gebruikt om nano-apparaten te produceren.

grafeen, een één atoom dik vel koolstofatomen, wordt aangeprezen vanwege zijn hoge potentieel om apparaten op nanoschaal op te leveren en computers met kwantumsnelheid te leveren. Maar voordat het kan worden toegepast op nanotechnologie, onderzoekers moeten eerst een gemakkelijke methode vinden om de stroom van elektronen te regelen om zelfs een eenvoudige aan-uitschakelaar te bedenken.

"Nanolinten zijn modelsystemen voor het bestuderen van effecten op nanoschaal in grafeen, maar het verkrijgen van een lintbreedte van minder dan 10 nanometer en het karakteriseren van de elektronische toestand is behoorlijk uitdagend, " zegt Yaoyi Li, een UWM natuurkunde postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur van een paper gepubliceerd op 2 juli in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Door de linten af ​​te beelden met scanning-tunneling microscopie, onderzoekers hebben bevestigd hoe smal de lintbreedte moet zijn om de elektrische eigenschappen van grafeen te veranderen, waardoor het beter afstembaar is.

"We ontdekten dat de overgang plaatsvindt bij drie nanometer en dat de veranderingen abrupt zijn, " zegt Michael Weinert, een UWM-theoretisch fysicus die samen met experimenteel fysicus Lian Li aan het door het Department of Energy ondersteunde project werkte. "Vóór deze studie, er was geen experimenteel bewijs van hoe breed het begin van dit gedrag is."

Het team ontdekte ook dat hoe smaller het lint wordt, hoe meer "afstembaar" het gedrag van het materiaal. De twee randen van zo'n smal lint kunnen sterk op elkaar inwerken, in wezen transformeren het lint in een halfgeleider met afstembare kwaliteiten vergelijkbaar met die van silicium.

De eerste hindernis

De huidige snijmethoden kunnen lintbreedtes van vijf nanometer produceren, nog te breed om de afstembare staat te bereiken, zegt Yaoyi Li. Naast het produceren van smallere linten, elke nieuwe snijstrategie die ze bedachten, zou ook moeten resulteren in een rechte uitlijning van de atomen aan de lintranden om de elektrische eigenschappen te behouden, hij voegt toe.

Dus het UWM-team gebruikte ijzernanodeeltjes bovenop het grafeen in een waterstofomgeving. IJzer is een katalysator die ervoor zorgt dat waterstof- en koolstofatomen reageren, waardoor een gas ontstaat dat een greppel in het grafeen etst. Het snijden wordt bereikt door de waterstofdruk nauwkeurig te regelen, zegt Lian-Li.

Het ijzeren nanodeeltje beweegt willekeurig over het grafeen, het produceren van linten van verschillende breedtes - waaronder enkele zo dun als een nanometer, hij zegt. De methode produceert ook randen met goed uitgelijnde atomen.

Er is één beperking voor de snijmethode van het team, en dat heeft te maken met waar de randen worden gesneden. De atomen in grafeen zijn gerangschikt op een honingraatrooster dat, afhankelijk van de richting van de snede produceert u ofwel een "leunstoelvormige" rand of een "zigzag" rand. Het halfgeleidende gedrag dat de onderzoekers met hun etsmethode hebben waargenomen, zal alleen optreden bij een snede in de zigzagconfiguratie.

Manipuleren voor functie

Wanneer gesneden, de koolstofatomen aan de randen van de resulterende linten hebben slechts twee van de normale drie buren, waardoor een soort binding ontstaat die waterstofatomen aantrekt en elektronen naar de randen van het lint bindt. Als het lint smal genoeg is, de elektronen aan weerszijden kunnen nog steeds interageren, het creëren van een halfgeleidend elektrisch gedrag, zegt Weinert.

De onderzoekers experimenteren nu met het verzadigen van de randen met zuurstof, in plaats van waterstof, om te onderzoeken of hierdoor het elektrisch gedrag van grafeen verandert in dat van een metaal.

Het toevoegen van een functie aan grafeen nano-linten door dit proces zou het gewilde doel van componenten op atomaire schaal gemaakt van hetzelfde materiaal mogelijk kunnen maken, maar met verschillend elektrisch gedrag, zegt Weinert.