Grafeen is een halfgeleider wanneer het wordt voorbereid als een ultrasmal lint - hoewel het materiaal eigenlijk een geleidend materiaal is. Onderzoekers van Empa en het Max Planck Institute for Polymer Research hebben nu een nieuwe methode ontwikkeld om grafeenmoleculen selectief te dopen met stikstofatomen. Door gedoteerde en ongedoteerde grafeenstukken naadloos aan elkaar te rijgen, ze waren in staat om "heterojuncties" te vormen in de nanoribbons, daarmee wordt voldaan aan een basisvereiste voor elektronische stroom om in slechts één richting te stromen wanneer spanning wordt toegepast - de eerste stap naar een grafeentransistor. Verder, het team is er met succes in geslaagd om grafeen nanoribbons te verwijderen van het gouden substraat waarop ze zijn gegroeid en om ze over te brengen op een niet-geleidend materiaal.

Grafeen heeft veel uitstekende eigenschappen:het geleidt warmte en elektriciteit, het is transparant, harder dan diamant en extreem sterk. Maar om het te gebruiken om elektronische schakelaars te bouwen, een materiaal moet niet alleen een uitstekende geleider zijn, het moet ook omschakelbaar zijn tussen "aan" en "uit" toestanden. Dit vereist de aanwezigheid van een zogenaamde bandgap, waardoor halfgeleiders zich in een isolerende toestand kunnen bevinden. Het probleem, echter, is dat de bandgap in grafeen extreem klein is. Empa-onderzoekers van het laboratorium "nanotech@surfaces" ontwikkelden daarom enige tijd geleden een methode om een ​​vorm van grafeen met grotere bandgaps te synthetiseren door ultrasmalle grafeen-nanoribbons te laten "groeien" via moleculaire zelfassemblage.

Grafeen nanoribbons gemaakt van verschillend gedoteerde segmenten

De onderzoekers, onder leiding van Roman Fasel, hebben nu een nieuwe mijlpaal bereikt door grafeen nanoribbons bestaande uit verschillend gedoteerde subsegmenten te laten groeien. In plaats van altijd dezelfde "pure" koolstofmoleculen te gebruiken, ze gebruikten bovendien gedoteerde moleculen - moleculen voorzien van "vreemde atomen" op nauwkeurig gedefinieerde posities, in dit geval stikstof. Door "normale" segmenten aan elkaar te rijgen met met stikstof gedoteerde segmenten op een gouden (Au (111)) oppervlak, Tussen de afzonderlijke segmenten ontstaan ​​zogenaamde heterojuncties. De onderzoekers hebben aangetoond dat deze vergelijkbare eigenschappen vertonen als een klassieke pn-junctie, d.w.z. een knooppunt met zowel positieve als negatieve ladingen over verschillende gebieden van het halfgeleiderkristal, waardoor de basisstructuur wordt gecreëerd die de ontwikkeling mogelijk maakt van veel componenten die in de halfgeleiderindustrie worden gebruikt. Een pn-overgang zorgt ervoor dat de stroom maar in één richting loopt. Vanwege de scherpe overgang op de heterojunctie-interface, de nieuwe structuur maakt het ook mogelijk om elektron/gat-paren efficiënt te scheiden wanneer een externe spanning wordt toegepast, zoals theoretisch aangetoond door theoretici van Empa en medewerkers van Rensselaer Polytechnic Institute. Dit laatste heeft een directe impact op de vermogensopbrengst van zonnecellen. De onderzoekers beschrijven de corresponderende heterojuncties in gesegmenteerde grafeen nanoribbons in het onlangs gepubliceerde nummer van Natuur Nanotechnologie .

Grafeen nanoribbons overbrengen naar andere substraten

In aanvulling, de wetenschappers hebben een ander belangrijk probleem opgelost voor de integratie van grafeennanotechnologie in de conventionele halfgeleiderindustrie:hoe kunnen de ultrasmalle grafeenlinten op een ander oppervlak worden overgebracht? Zolang de grafeen-nanoribbons op een metalen substraat (zoals hier gebruikt goud) blijven, kunnen ze niet als elektronische schakelaars worden gebruikt. Goud geleidt en creëert zo een kortsluiting die de aantrekkelijke halfgeleidende eigenschappen van het grafeenlint "saboteert". Fasel's team en collega's van het Max-Planck-Institute for Polymer Research in Mainz zijn erin geslaagd aan te tonen dat grafeen nanoribbons efficiënt en intact kunnen worden overgebracht met een relatief eenvoudig ets- en reinigingsproces op (vrijwel) elk substraat, bijvoorbeeld op saffier, calciumfluoride of siliciumoxide.

Grafeen komt zo steeds meer naar voren als een interessant halfgeleidermateriaal en een welkome aanvulling op het alomtegenwoordige silicium. De halfgeleidende grafeen nanoribbons zijn bijzonder aantrekkelijk omdat ze kleinere en dus energiezuinigere en snellere elektronische componenten mogelijk maken dan silicium. Echter, het veralgemeende gebruik van grafeen-nanolinten in de elektronicasector wordt in de nabije toekomst niet verwacht, deels vanwege schaalproblemen en deels vanwege de moeilijkheid om gevestigde conventionele op silicium gebaseerde elektronica te vervangen. Fasel schat dat het nog zo'n 10 tot 15 jaar kan duren voordat de eerste elektronische schakelaar gemaakt van grafeen nanoribbons in een product kan worden gebruikt.

Grafeen nanoribbons voor fotovoltaïsche componenten

Fotovoltaïsche componenten zouden ooit ook op grafeen kunnen zijn gebaseerd. In een tweede paper gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Pascal Ruffieux - ook van het Empa "nanotech@surfaces" -laboratorium - en zijn collega's beschrijven een mogelijk gebruik van grafeenstrips, bijvoorbeeld in zonnecellen. Ruffieux en zijn team hebben gemerkt dat bijzonder smalle grafeen nanoribbons zichtbaar licht uitzonderlijk goed absorberen en daarom zeer geschikt zijn als absorberende laag in organische zonnecellen. Vergeleken met "normaal" grafeen, die licht bij alle golflengten gelijkelijk absorbeert, de lichtabsorptie in grafeen nanoribbons kan op een gecontroleerde manier enorm worden verhoogd, waarbij onderzoekers de breedte van de grafeen-nanoribbons met atomaire precisie "instellen".