Grafeenlinten die maar een paar atomen breed zijn, zogenaamde grafeen nanoribbons, hebben speciale elektrische eigenschappen waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor de nano-elektronica van de toekomst. Terwijl grafeen, een eendimensionale koolstoflaag, is een geleidend materiaal, het kan een halfgeleider worden in de vorm van nanolinten. Dit betekent dat het een voldoende grote energie- of bandafstand heeft waarin geen elektronentoestanden kunnen bestaan ​​- het kan aan en uit worden gezet, en kan dus een belangrijk onderdeel van nanotransistoren worden.

De kleinste details in de atomaire structuur van deze grafeenbanden, echter, enorme effecten hebben op de grootte van de energiekloof, en dus over hoe geschikt nanolinten zijn als componenten van transistors. Aan de ene kant, de opening hangt af van de breedte van de grafeenlinten, terwijl het anderzijds afhangt van de structuur van de randen. Aangezien grafeen uit gelijkzijdige koolstofzeshoeken bestaat, de rand kan een zigzag of een zogenaamde fauteuilvorm hebben, afhankelijk van de richting van de linten. Terwijl banden met een zigzagrand zich gedragen als metalen, d.w.z. ze zijn geleidend, ze worden halfgeleiders met de rand van de fauteuil.

Dit vormt een grote uitdaging voor de productie van nanoribbons. Als de linten worden gesneden uit een laag grafeen of worden gemaakt door koolstofnanobuisjes te knippen, de randen kunnen onregelmatig zijn, en daarom, de grafeenlinten vertonen mogelijk niet de gewenste elektrische eigenschappen.

Een halfgeleider maken met negen atomen

Empa-onderzoekers zijn er in samenwerking met het Max Planck Institute for Polymer Research in Mainz en de University of California in Berkeley nu in geslaagd om linten van precies negen atomen breed te laten groeien met een regelmatige fauteuilrand van precursormoleculen. Hiervoor worden de speciaal geprepareerde moleculen in een ultrahoog vacuüm verdampt. Na verschillende processtappen, ze worden als puzzelstukjes op een gouden basis gecombineerd tot de gewenste nanolinten van ongeveer een nanometer breed en tot 50 nanometer lang.

Deze structuren, die alleen kan worden gezien met een scanning tunneling microscoop, hebben nu een relatief grote en nauwkeurig gedefinieerde energiekloof. Hierdoor konden de onderzoekers nog een stap verder gaan en de grafeenlinten integreren in nanotransistoren. aanvankelijk, echter, de eerste pogingen waren niet erg succesvol. Metingen toonden aan dat het verschil in de stroom tussen de "AAN"-toestand (d.w.z. met aangelegde spanning) en de "UIT"-toestand (zonder aangelegde spanning) veel te klein was. Het probleem was de diëlektrische laag van siliciumoxide die de halfgeleidende lagen verbindt met het elektrische schakelcontact. Om de gewenste eigenschappen te hebben, het moest 50 nanometer dik zijn, die, beurtelings, beïnvloedde het gedrag van de elektronen.

Echter, de onderzoekers slaagden er vervolgens in om deze laag massaal te verkleinen door als diëlektrisch materiaal hafniumoxide (HfO2) te gebruiken in plaats van siliciumoxide. Daarom, de laag is nu nog maar 1,5 nanometer dun en de "aan"-stroom is orden van grootte hoger.

Een ander probleem was de opname van grafeenlinten in de transistor. In de toekomst, de linten mogen niet langer kriskras op het transistorsubstraat liggen, maar eerder precies uitgelijnd langs het transistorkanaal. Dit zou het huidige hoge niveau van niet-functionerende nanotransistoren aanzienlijk verminderen.