Onderzoekers van de Universiteit van Straatsburg &CNRS (Frankrijk), in samenwerking met de Universiteit van Bergen (België), het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek (Duitsland) en de Technische Universität Dresden (Duitsland), hebben een nieuwe supramoleculaire strategie bedacht om afstembare 1D periodieke potentialen te introduceren na zelfassemblage van ad hoc organische bouwstenen op grafeen, de weg vrijmaken voor de realisatie van hybride organisch-anorganische meerlaagse materialen met unieke elektronische en optische eigenschappen. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Verticale stapels van verschillende tweedimensionale (2-D) kristallen, zoals grafeen, boornitride, enzovoort., bij elkaar gehouden door zwakke van der Waals-krachten worden gewoonlijk "van der Waals-heterostructuren" genoemd. Dergelijke geavanceerde meerlaagse structuren kunnen worden gebruikt als een veelzijdig platform voor het onderzoek van verschillende fenomenen op nanoschaal. Vooral, mechanische superpositie van de 2-D-kristallen genereert 2-D periodieke potentialen die onconventionele fysische en chemische eigenschappen aan het systeem verlenen.

Hier paste een team van Europese onderzoekers een supramoleculaire benadering toe om zelf-geassembleerde organische moleculaire roosters te vormen met een gecontroleerde geometrie en atomaire precisie bovenop grafeen, het induceren van 1D periodieke potentialen in de resulterende organisch-anorganische hybride heterostructuren. Met dat doel, moleculaire bouwstenen werden zorgvuldig ontworpen en gesynthetiseerd. Die zijn uitgerust met (i) een lange alifatische staart, het sturen van de zelfassemblage en de periodiciteit van het potentieel, en (ii) een fotoreactieve diazirinekopgroep, waarvan het dipoolmoment de oppervlaktepotentiaal van de onderliggende grafeenplaat moduleert. Na bestraling met ultraviolet (UV) licht vóór depositie op grafeen, de diazirinegroep wordt gesplitst en een reactieve carbeensoort wordt gevormd. De laatste is gevoelig om te reageren met oplosmiddelmoleculen, wat leidt tot een mengsel van nieuwe verbindingen met verschillende functionaliteiten.

Scanning tunneling microscope (STM) beeldvorming werd gebruikt om de nanoschaalrangschikking van de supramoleculaire roosters gevormd op grafiet- en grafeenoppervlakken te karakteriseren, die de periodiciteit en geometrie van de geïnduceerde potentialen bepaalt. Elektrische karakterisering werd vervolgens uitgevoerd op op grafeen gebaseerde veldeffectapparaten om het effect van de verschillende zelf-geassembleerde organische lagen op de elektrische kenmerken van het 2D-materiaal te beoordelen. Computationele simulaties maakten het mogelijk om de interacties van het moleculaire samenstel met grafeen te ontrafelen; een theoretische analyse bevestigde verder dat de oorsprong van de dopingeffecten volledig kan worden toegeschreven aan de oriëntatie van elektrische dipolen in de kopgroepen. Eindelijk, een periodieke potentiaal met dezelfde geometrie maar een andere intensiteit zou kunnen worden gegenereerd uit een supramoleculaire rooster bereid na UV-bestraling van de moleculaire bouwsteen in een ander oplosmiddel.

Op deze manier, de onderzoekers slaagden erin aan te tonen dat organische supramoleculaire roosters geschikt zijn om controleerbare 1D periodieke potentialen op het oppervlak van grafeen te creëren. interessant, de periodiciteit, amplitude en teken van de geïnduceerde potentialen kunnen worden voorgeprogrammeerd en aangepast door zorgvuldig moleculair ontwerp. Deze supramoleculaire bottom-up benadering kan worden uitgebreid en toegepast op andere anorganische 2-D materialen zoals overgangsmetaal dichalcogeniden, de weg vrijmaken voor complexere meerlaagse van der Waals-heterostructuren. Deze bevindingen zijn van groot belang voor de realisatie van organisch-anorganische hybride materialen met regelbare structurele en elektronische eigenschappen met ongekende elektrische, magnetisch, piëzo-elektrische en optische functionaliteiten.