Zoals gemeld door het tijdschrift Natuur in zijn laatste nummer, onderzoekers van Empa, het Max Planck Instituut in Mainz en de Technische Universiteit van Dresden zijn er voor het eerst in geslaagd om grafeen nanoribbons met perfecte zigzagranden van moleculen te maken. Elektronen op deze zigzagranden vertonen verschillende (en gekoppelde) draairichtingen ("spin"). Dit zou van grafeen nanoribbons het materiaal bij uitstek kunnen maken voor de elektronica van de toekomst, zogenaamde spintronica.

Omdat elektronische componenten steeds kleiner worden, de industrie nadert stilaan de grenzen van wat haalbaar is met de traditionele benadering met silicium als halfgeleidermateriaal. grafeen, het materiaal met een aantal "wonderbaarlijke" eigenschappen, wordt beschouwd als een mogelijke vervanging. De één atoom dunne koolstoffilm is ultralicht, extreem flexibel en zeer geleidend. Echter, om grafeen te kunnen gebruiken voor elektronische componenten zoals veldeffecttransistoren, het materiaal moet worden "omgevormd" tot een halfgeleider. Dit werd enige tijd geleden door Empa-wetenschappers bereikt met behulp van een nieuw ontwikkelde methode - in 2010, zij presenteerden, Voor de eerste keer, grafeen nanoribbons (GNR) van slechts enkele nanometers breed met nauwkeurig gevormde randen. Voor deze, de linten werden gekweekt op een metalen oppervlak van speciaal ontworpen voorlopermoleculen. Hoe smaller de linten, hoe groter hun elektronische bandafstand - d.w.z. het energiebereik waarin geen elektronen kunnen worden gelokaliseerd, die ervoor zorgt dat een elektronische schakelaar (bijvoorbeeld een transistor) kan worden in- en uitgeschakeld. De Empa-onderzoekers waren toen ook in staat om de nanoribbons te "dopen", d.w.z. om de linten op bepaalde punten te voorzien van onzuivere atomen zoals stikstof, om de elektronische eigenschappen van de grafeenlinten nog meer te beïnvloeden.

De perfecte blauwdruk

In de krant die nu is gepubliceerd in Natuur , het Empa-team onder leiding van Roman Fasel meldt, samen met collega's van het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz, onder leiding van Klaus Müllen, en van de Technische Universiteit van Dresden onder leiding van Xinliang Feng, hoe het erin slaagde GNR te synthetiseren met perfect zigzaggende randen met behulp van geschikte koolstofprecursormoleculen en een geperfectioneerd productieproces. De zigzaglijnen volgden een zeer specifieke geometrie langs de lengteas van de linten. Dit is een belangrijke stap, omdat onderzoekers grafeenlinten zo verschillende eigenschappen kunnen geven via de geometrie van de linten en vooral via de structuur van hun randen.

Net als bij vloertegels, de juiste tegels - of precursormoleculen - voor de synthese aan het oppervlak moesten eerst worden gevonden voor het specifieke patroon van de zigzag grafeenlinten. Anders dan in de organische chemie, die rekening houdt met het voorkomen van bijproducten op de weg naar een zuivere stof, alles moest worden ontworpen voor de oppervlaktesynthese van de grafeenlinten, zodat er slechts één product werd geproduceerd. De wetenschappers schakelden herhaaldelijk heen en weer tussen computersimulaties en experimenten, om de best mogelijke synthese te ontwerpen. Met moleculen in een U-vorm, die ze samen lieten groeien tot een slangachtige vorm, en extra methylgroepen, die de zigzagranden voltooiden, de onderzoekers konden eindelijk een "blauwdruk" voor GNR maken met perfecte zigzagranden. Om te controleren of de zigzagranden exact tot op het atoom waren, de onderzoekers onderzochten de atomaire structuur met behulp van een atomic force microscope (AFM). In aanvulling, ze waren in staat om de elektronische toestanden van de zigzagranden te karakteriseren met behulp van scanning tunneling spectroscopie (STS).

De interne spin van de elektronen gebruiken

En deze vertonen een veelbelovende functie. Elektronen kunnen zowel naar links als naar rechts draaien, wat de interne spin van elektronen wordt genoemd. Het bijzondere van de zigzag GNR is dat, langs elke rand, de elektronen draaien allemaal in dezelfde richting; een effect dat ferromagnetische koppeling wordt genoemd. Tegelijkertijd, de zogenaamde antiferromagnetische koppeling zorgt ervoor dat de elektronen aan de andere rand allemaal in de tegenovergestelde richting draaien. Dus de elektronen aan de ene kant hebben allemaal een "spin-up" toestand en aan de andere kant hebben ze allemaal een "spin-down" toestand.

Dus, twee onafhankelijke spinkanalen met tegengestelde "rijrichtingen" ontstaan ​​op de bandranden, als een weg met gescheiden rijstroken. Via opzettelijk geïntegreerde structurele defecten aan de randen of - eleganter - via het voorzien van een elektrische, magnetisch of optisch signaal van buitenaf, Zo kunnen spinbarriers en spinfilters worden ontworpen die alleen energie nodig hebben om aan en uit te schakelen - de voorloper van een nanoschaal en ook extreem energiezuinige transistor.

Mogelijkheden als deze maken GNR uitermate interessant voor spintronische apparaten; deze gebruiken zowel de lading als de spin van de elektronen. Deze combinatie zet wetenschappers ertoe aan om volledig nieuwe componenten te voorspellen, bijv. adresseerbare magnetische gegevensopslagapparaten die de ingevoerde informatie behouden, zelfs nadat de stroom is uitgeschakeld.