Een nieuwe manier om smalle linten grafeen te laten groeien, een lichtgewicht en sterke structuur van enkele atoom dikke koolstofatomen verbonden in zeshoeken, kan een tekortkoming verhelpen die verhinderde dat het materiaal zijn volledige potentieel in elektronische toepassingen bereikte. Grafeen nanolinten, slechts miljardsten van een meter breed, vertonen andere elektronische eigenschappen dan tweedimensionale platen van het materiaal.

"Opsluiting verandert het gedrag van grafeen, " zei An-Ping Li, een natuurkundige bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Grafeen in platen is een uitstekende elektrische geleider, maar vernauwing van grafeen kan het materiaal in een halfgeleider veranderen als de linten zijn gemaakt met een specifieke randvorm.

Eerdere pogingen om grafeen nanoribbons te maken, maakten gebruik van een metalen substraat dat de nuttige elektronische eigenschappen van de linten belemmerde.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers van ORNL en North Carolina State University rapporteren in het tijdschrift Natuurcommunicatie dat ze de eersten zijn die grafeen nanoribbons kweken zonder een metalen substraat. In plaats daarvan, ze injecteerden ladingsdragers die een chemische reactie bevorderen die een polymeerprecursor omzet in een grafeen nanoribbon. Op geselecteerde locaties, deze nieuwe techniek kan interfaces creëren tussen materialen met verschillende elektronische eigenschappen. Dergelijke interfaces vormen de basis van elektronische halfgeleiderapparaten, van geïntegreerde schakelingen en transistors tot lichtdioden en zonnecellen.

"Grafeen is geweldig, maar het heeft grenzen, " zei Li. "In brede lakens, het heeft geen energiekloof - een energiebereik in een vaste stof waar geen elektronische toestanden kunnen bestaan. Dat betekent dat je het niet aan of uit kunt zetten."

Wanneer er een spanning wordt aangelegd op een vel grafeen in een apparaat, elektronen kunnen vrij stromen zoals in metalen, de toepassing van grafeen in digitale elektronica ernstig beperken.

"Als grafeen erg smal wordt, het creëert een energiekloof, " zei Li. "Hoe smaller het lint is, hoe groter de energiekloof."

In zeer smalle grafeen nanoribbons, met een breedte van een nanometer of zelfs minder, hoe structuren eindigen aan de rand van het lint is ook belangrijk. Bijvoorbeeld, het snijden van grafeen langs de zijkant van een zeshoek creëert een rand die lijkt op een fauteuil; dit materiaal kan werken als een halfgeleider. Het uitsnijden van driehoeken uit grafeen creëert een zigzagrand - en een materiaal met metaalachtig gedrag.

Om grafeen nanoribbons te laten groeien met gecontroleerde breedte en randstructuur van polymeerprecursoren, eerdere onderzoekers hadden een metalen substraat gebruikt om een ​​chemische reactie te katalyseren. Echter, het metalen substraat onderdrukt nuttige randtoestanden en verkleint de gewenste bandafstand.

Li en collega's wilden van dit lastige metalen substraat af. Bij het Centrum voor Nanofase Materiaalwetenschappen, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL, ze gebruikten de punt van een scanning tunneling-microscoop om ofwel negatieve ladingsdragers (elektronen) of positieve ladingsdragers ("gaten") te injecteren om te proberen de belangrijkste chemische reactie op gang te brengen. Ze ontdekten dat alleen gaten het veroorzaakten. Ze waren vervolgens in staat om een ​​lint te maken dat slechts zeven koolstofatomen breed was - minder dan een nanometer breed - met randen in de conformatie van de fauteuil.

"We ontdekten het fundamentele mechanisme, dat is, hoe ladingsinjectie de reactiebarrière kan verlagen om deze chemische reactie te bevorderen, " zei Li. De punt langs de polymeerketen bewegen, de onderzoekers konden selecteren waar ze deze reactie teweegbrachten en één zeshoek van het grafeenrooster tegelijk omzetten.

Volgende, de onderzoekers zullen heterojuncties maken met verschillende precursormoleculen en functionaliteiten verkennen. Ze willen ook graag zien hoe lang elektronen in deze linten kunnen reizen voordat ze worden verstrooid, en zal het vergelijken met een grafeen nanolint dat op een andere manier is gemaakt en waarvan bekend is dat het elektronen buitengewoon goed geleidt. Het gebruik van elektronen zoals fotonen zou de basis kunnen vormen voor een nieuw elektronisch apparaat dat stroom kan voeren met vrijwel geen weerstand, zelfs bij kamertemperatuur.

"Het is een manier om fysieke eigenschappen aan te passen voor energietoepassingen, " zei Li. "Dit is een uitstekend voorbeeld van direct schrijven. Je kunt het transformatieproces op moleculair of atomair niveau sturen." het proces kan worden opgeschaald en geautomatiseerd.

De titel van het huidige artikel is "Controllable conversion of quasi-freestanding polymer chains to grafeen nanoribbons."