Een internationaal multi-institutioneel team van wetenschappers heeft grafeen nanoribbons - ultradunne stroken koolstofatomen - op een titaniumdioxide-oppervlak gesynthetiseerd met behulp van een atomair nauwkeurige methode die een barrière verwijdert voor op maat ontworpen koolstofnanostructuren die nodig zijn voor kwantuminformatiewetenschappen.

Grafeen is samengesteld uit één atoom dikke lagen koolstof die ultralicht, geleidende en extreem sterke mechanische eigenschappen. Het populair bestudeerde materiaal belooft elektronica en informatiewetenschap te transformeren vanwege de zeer afstembare elektronische, optische en transporteigenschappen.

Wanneer gevormd tot nanolinten, grafeen zou kunnen worden toegepast in apparaten op nanoschaal; echter, het gebrek aan precisie op atomaire schaal bij het gebruik van de huidige state-of-the-art "top-down" synthetische methoden - het snijden van een grafeenvel in atoom-smalle reepjes - belemmert het praktische gebruik van grafeen.

Onderzoekers ontwikkelden een 'bottom-up'-benadering:het grafeen-nanoribbon rechtstreeks op atomair niveau bouwen, zodat het in specifieke toepassingen kan worden gebruikt. die werd bedacht en gerealiseerd in het Center for Nanophase Materials Sciences, of CNMS, gevestigd in het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Deze absolute precisiemethode hielp om de gewaardeerde eigenschappen van grafeenmonolagen te behouden naarmate de segmenten van grafeen kleiner en kleiner worden. Slechts een of twee atomen verschil in breedte kan de eigenschappen van het systeem drastisch veranderen, het veranderen van een halfgeleidend lint in een metalen lint. De resultaten van het team werden beschreven in Wetenschap .

Marek Kolmer van ORNL, An-Ping Li en Wonhee Ko van de Scanning Tunneling Microscopy-groep van de CNMS werkten samen aan het project met onderzoekers van Espeem, een particulier onderzoeksbureau, en verschillende Europese instellingen:Friedrich Alexander University Erlangen-Neurenberg, Jagiellonische Universiteit en Martin Luther Universiteit Halle-Wittenberg.

ORNL's unieke expertise in scanning tunneling microscopie was van cruciaal belang voor het succes van het team, zowel bij het manipuleren van het voorlopermateriaal als bij het verifiëren van de resultaten.

"Met deze microscopen kun je materie op atomaire schaal direct in beeld brengen en manipuleren, "Kolmer, een postdoctoraal onderzoeker en de hoofdauteur van het artikel, zei. "De punt van de naald is zo fijn dat hij in wezen de grootte heeft van een enkel atoom. De microscoop beweegt lijn voor lijn en meet constant de interactie tussen de naald en het oppervlak en geeft een atomair nauwkeurige kaart van de oppervlaktestructuur weer."

In eerdere grafeen nanoribbon-experimenten, het materiaal werd gesynthetiseerd op een metalen substraat, die onvermijdelijk de elektronische eigenschappen van de nanolinten onderdrukt.

"De elektronische eigenschappen van deze linten laten werken zoals ze zijn ontworpen, is het hele verhaal. het gebruik van een metalen substraat is niet nuttig omdat het de eigenschappen afschermt, "Zei Kolmer. "Het is een grote uitdaging op dit gebied - hoe kunnen we het netwerk van moleculen effectief ontkoppelen om het naar een transistor over te brengen?"

De huidige ontkoppelingsbenadering omvat het verwijderen van het systeem uit de ultrahoogvacuümomstandigheden en het door een meerstaps nat-chemisch proces leiden, waarvoor het metalen substraat moet worden weggeëtst. Dit proces is in tegenspraak met de zorgvuldige, schone precisie gebruikt bij het maken van het systeem.

Om een ​​proces te vinden dat zou werken op een niet-metalen substraat, Kolmer begon te experimenteren met oxide-oppervlakken, het nabootsen van de strategieën die op metaal worden gebruikt. Eventueel, hij wendde zich tot een groep Europese chemici die gespecialiseerd zijn in fluorareenchemie en begon zich te verdiepen in een ontwerp voor een chemische voorloper die de synthese rechtstreeks op het oppervlak van rutieltitaandioxide mogelijk zou maken.

"On-surface synthese stelt ons in staat om materialen met zeer hoge precisie te maken en om dat te bereiken, we begonnen met moleculaire voorlopers, "Li, een senior auteur van het artikel die het team bij CNMS leidde, zei. "De reacties die we nodig hadden om bepaalde eigenschappen te verkrijgen, zijn in wezen geprogrammeerd in de voorloper. We weten bij welke temperatuur een reactie zal plaatsvinden en door de temperaturen af ​​te stemmen kunnen we de volgorde van reacties controleren."

"Een ander voordeel van synthese op het oppervlak is de grote hoeveelheid kandidaatmaterialen die als voorlopers kunnen worden gebruikt, waardoor een hoge mate van programmeerbaarheid mogelijk is, " voegde Li eraan toe.

De precieze toepassing van chemicaliën om het systeem te ontkoppelen hielp ook om een ​​open-schaalstructuur te behouden, waardoor onderzoekers op atoomniveau toegang krijgen tot moleculen met unieke kwantumeigenschappen en deze kunnen bestuderen. "Het was bijzonder de moeite waard om te ontdekken dat deze grafeenlinten magnetische toestanden hebben gekoppeld, ook wel kwantumspintoestanden genoemd, aan hun uiteinden, " zei Li. "Deze staten bieden ons een platform om magnetische interacties te bestuderen, met de hoop qubits te maken voor toepassingen in de kwantuminformatiewetenschap." Aangezien er weinig verstoring is van magnetische interacties in op koolstof gebaseerde moleculaire materialen, deze methode maakt het mogelijk om langdurige magnetische toestanden vanuit het materiaal te programmeren.

Hun aanpak creëert een uiterst nauwkeurig lint, losgekoppeld van de ondergrond, wat wenselijk is voor toepassingen op het gebied van spintronica en kwantuminformatica. Het resulterende systeem is bij uitstek geschikt om verder te worden onderzocht en verder uit te bouwen, mogelijk als een transistor op nanoschaal omdat deze een brede bandgap heeft, over de ruimte tussen elektronische toestanden die nodig is om een ​​aan/uit-signaal over te brengen.