Smalle stroken grafeen, nanoribbons genaamd, vertonen buitengewone eigenschappen waardoor ze belangrijke kandidaten zijn voor toekomstige nano-elektronische technologieën. Een barrière om ze te exploiteren, echter, is de moeilijkheid om hun vorm op atomaire schaal te controleren, een voorwaarde voor veel mogelijke toepassingen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of California, Berkeley, hebben een nieuwe precisie-aanpak ontwikkeld voor het synthetiseren van grafeen nanoribbons uit vooraf ontworpen moleculaire bouwstenen. Met behulp van dit proces hebben de onderzoekers nanoribbons gebouwd met verbeterde eigenschappen, zoals positieafhankelijke, afstembare bandgaps - die potentieel zeer nuttig zijn voor elektronische schakelingen van de volgende generatie.

De resultaten verschijnen in een paper getiteld "Molecular bandgap engineering of bottom-up synthesized graphene nanoribbon heterojunctions, " gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Dit werk vertegenwoordigt vooruitgang in de richting van het doel om moleculen controleerbaar te assembleren in elke vorm die we willen, " zegt Mike Crommie, senior wetenschapper bij Berkeley Lab, hoogleraar aan UC Berkeley, en een leider van de studie. "Voor de eerste keer hebben we een moleculair nanolint gemaakt waarvan de breedte precies verandert zoals we het hebben ontworpen."

Nanolinten vroeger en nu

Eerder, wetenschappers maakten nanolinten die overal een constante breedte hebben. "Dat zorgt voor een mooie draad of een simpel schakelelement, " zegt Crommie, "maar het biedt niet veel functionaliteit. We wilden kijken of we de breedte binnen één nanoribbon konden veranderen, het controleren van de structuur in het nanolint op atomaire schaal om het nieuw gedrag te geven dat mogelijk nuttig is."

Felix Fischer, Professor in de chemie aan UC Berkeley die samen de studie leidde, ontwierp de moleculaire componenten om erachter te komen of dit mogelijk zou zijn. Samen, Fischer en Crommie ontdekten dat moleculen van verschillende breedten inderdaad zodanig chemisch kunnen worden gebonden dat de breedte wordt gemoduleerd langs de lengte van een enkel resulterend nanolint.

"Zie de moleculen als Legoblokken van verschillende grootte, " legt Fischer uit. Elk blok heeft een bepaalde gedefinieerde structuur en wanneer ze in elkaar worden gezet, resulteren ze in een bepaalde vorm voor het hele nanolint. "We willen zien of we de exotische eigenschappen kunnen begrijpen die ontstaan ​​wanneer we deze moleculaire structuren samenvoegen, en om te zien of we ze kunnen exploiteren om nieuwe functionele apparaten te bouwen."

Tot nu, nanoribbon-synthese omvatte meestal het etsen van linten uit grotere 2D-platen van grafeen. Het probleem, volgens Fischer, is dat dit precisie mist en dat elk resulterend nanolint een unieke, enigszins willekeurige structuur. Een andere methode was het uitpakken van nanobuisjes om nanolinten te verkrijgen. Dit levert gladdere randen op dan de "top-down" etstechniek, maar het is moeilijk te controleren omdat nanobuisjes verschillende breedtes en chiraliteiten hebben.

Een derde weg, ontdekt door Roman Fasel van de Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschap en -technologie samen met zijn collega's, omvat het plaatsen van moleculen op een metalen oppervlak en ze chemisch samensmelten om perfect uniforme nanoribbons te vormen. Crommie en Fischer hebben deze laatste benadering aangepast en hebben aangetoond dat als de vormen van de samenstellende moleculen worden gevarieerd, dat ook geldt voor de vorm van het resulterende nanolint.

"Wat we hebben gedaan dat nieuw is, is laten zien dat het mogelijk is om atomair nauwkeurige nanolinten te maken met een niet-uniforme vorm door de vormen van de moleculaire bouwstenen te veranderen, ' zegt Crommie.

Quantumeigenschappen regelen

Elektronen in de nanoribbons zetten kwantummechanische staande golfpatronen op die de elektronische eigenschappen van de nanoribbon bepalen. zoals de "bandgap". Dit bepaalt de energetische eigenschappen van hoe elektronen door een nanoribbon bewegen, inclusief in welke regio's ze zich ophopen en welke regio's ze mijden.

Vroeger, wetenschappers hebben de bandgap van apparaten op micronschaal ruimtelijk gemanipuleerd door middel van doping, de toevoeging van onzuiverheden aan een materiaal. Voor de kleinere nanoribbons, echter, het is mogelijk om de bandgap te wijzigen door de breedte ervan in stappen van minder dan nanometers aan te passen, een proces dat Crommie en Fischer 'moleculaire bandgap-engineering' hebben genoemd. Met dit soort engineering kunnen de onderzoekers de kwantummechanische eigenschappen van nanolinten aanpassen, zodat ze flexibel kunnen worden gebruikt voor toekomstige nano-elektronische apparaten.

Om hun moleculaire bandgap-engineering te testen, Crommie's groep gebruikte scanning tunneling microscopie (STM), een techniek die het gedrag van elektronen in een enkel nanoribbon ruimtelijk in kaart kan brengen. "We moesten de vorm op atomaire schaal van de nanolinten weten, en we moesten ook weten hoe de elektronen binnenin zich aanpassen aan die vorm, ", zegt Crommie. UC Berkeley hoogleraar natuurkunde Steven Louie en zijn student Ting Cao berekenden de elektronische structuur van de nanribbons om de STM-beelden correct te interpreteren. Dit "gesloten de lus" tussen nanoribbon-ontwerp, fabricage, en karakterisering.

Nieuwe richtingen naar nieuwe apparaten

Een belangrijke vraag in dit werk is hoe je het beste bruikbare apparaten kunt bouwen van deze kleine moleculaire structuren. Terwijl het team heeft laten zien hoe in de breedte variërende nanolinten kunnen worden gefabriceerd, het heeft ze nog niet opgenomen in daadwerkelijke elektronische circuits. Crommie en Fischer hopen dit nieuwe type nanolint te gebruiken om uiteindelijk nieuwe apparaatelementen te maken - zoals diodes, transistoren, en LED's - die kleiner en krachtiger zijn dan de huidige. Uiteindelijk hopen ze nanoribbons op te nemen in complexe circuits die betere prestaties opleveren dan de huidige computerchips. Hiervoor werken ze samen met UC Berkeley elektrotechnici zoals Jeffrey Bokor en Sayeef Salahuddin.

De vereiste ruimtelijke precisie bestaat al:het team kan de nanoribbon-breedte moduleren van 0,7 nm tot 1,4 nm, knooppunten creëren waar smalle nanolinten naadloos samensmelten in bredere. "Door de breedte met een factor twee te variëren, kunnen we de bandgap met meer dan 1eV moduleren, ", zegt Fischer. Voor veel toepassingen is dit voldoende om bruikbare apparaten te bouwen.

Hoewel de potentiële toepassingen opwindend zijn, Crommie wijst erop dat een centrale motivatie voor het onderzoek de wens is om fundamentele wetenschappelijke vragen te beantwoorden, zoals hoe nanolinten met niet-uniforme breedte zich eigenlijk gedragen. "We wilden een interessante vraag beantwoorden, en we beantwoordden het, " concludeert hij.