Theoretisch natuurkundigen aan de Rice University leven op het randje terwijl ze de verbazingwekkende eigenschappen van grafeen bestuderen. In een nieuwe studie, ze zoeken uit hoe onderzoekers grafeen nanoribbons kunnen breken om de randen te krijgen die ze nodig hebben voor toepassingen.

Nieuw onderzoek door Rice-fysicus Boris Yakobson en zijn collega's laat zien dat het mogelijk moet zijn om de randeigenschappen van grafeen-nanoribbons te beheersen door de omstandigheden te regelen waaronder de nanoribbons uit elkaar worden getrokken.

De manier waarop atomen op één lijn liggen langs de rand van een lint van grafeen - de atoomdikke vorm van koolstof - bepaalt of het metallisch of halfgeleidend is. Stroom gaat ongehinderd door metalen grafeen, maar halfgeleiders maken een zekere mate van controle over die elektronen mogelijk.

Aangezien moderne elektronica draait om controle, halfgeleidend grafeen (en halfgeleidende tweedimensionale materialen in het algemeen) zijn van groot belang voor wetenschappers en de industrie die werken aan het verkleinen van elektronica voor toepassingen.

In productie, die deze maand verscheen in het tijdschrift Royal Society of Chemistry nanoschaal , het Rice-team gebruikte geavanceerde computermodellering om te laten zien dat het mogelijk is om nanolinten te scheuren en grafeen te krijgen met ongerepte zigzagranden of zogenaamde gereconstrueerde zigzaglijnen.

Perfect grafeen lijkt op kippengaas, waarbij elke eenheid van zes atomen een zeshoek vormt. De randen van ongerepte zigzaglijnen zien er als volgt uit:////////. Door de zeshoeken 30 graden te draaien, worden de randen "fauteuils, " met platte toppen en bodems bij elkaar gehouden door de diagonalen. Het is bekend dat de elektronische eigenschappen van de randen variëren van metallisch tot halfgeleidend, afhankelijk van de breedte van het lint.

"Gereconstrueerd" verwijst naar het proces waarbij atomen in grafeen worden verleid om rond te schuiven om verbonden ringen van vijf en zeven atomen te vormen. De Rice-berekeningen bepaalden dat gereconstrueerde zigzaglijnen het meest stabiel zijn, een gewenste kwaliteit voor fabrikanten.

Alles wat geweldig is, maar je moet nog wel weten hoe je ze moet maken.

"Het maken van op grafeen gebaseerde nano-apparaten door mechanische breuk klinkt aantrekkelijk, maar het zou pas logisch zijn als we weten hoe we de juiste soorten randen kunnen krijgen - en nu weten we dat, " zei ZiAng Zhang, een afgestudeerde Rice-student en de hoofdauteur van de paper.

Yakobson, Zhang en Rice postdoctoraal onderzoeker Alex Kutana gebruikte dichtheidsfunctionaaltheorie, een computationele methode om de energetische input van elk atoom in een modelsysteem te analyseren, om te leren hoe thermodynamische en mechanische krachten het doel zouden bereiken.

Hun onderzoek onthulde dat het verwarmen van grafeen tot 1, 000 Kelvin en het uitoefenen van een lage maar constante kracht langs één as zal het op zo'n manier breken dat volledig gereconstrueerde 5-7 ringen zullen vormen en de nieuwe randen bepalen. Omgekeerd, het breken van grafeen met lage hitte en hoge kracht leidt eerder tot ongerepte zigzags.