Russische onderzoekers hebben een nieuwe methode voorgesteld voor het synthetiseren van hoogwaardige grafeen-nanoribbons - een materiaal met potentieel voor toepassingen in flexibele elektronica, zonnepanelen, LED's, lasers, en meer. Gepresenteerd in The Journal of Physical Chemistry C , de oorspronkelijke benadering van chemische dampafzetting, biedt een hoger rendement tegen lagere kosten, vergeleken met de momenteel gebruikte nanoribbon zelfassemblage op edelmetaalsubstraten.

Op silicium gebaseerde elektronica nadert gestaag hun grenzen, en je vraagt ​​je af welk materiaal onze apparaten de volgende grote duw zou kunnen geven. grafeen, de 2D-laag van koolstofatomen, komt voor de geest, maar voor al zijn gevierde elektronische eigenschappen, het heeft niet wat nodig is:in tegenstelling tot silicium, grafeen heeft niet het vermogen om te schakelen tussen een geleidende en een niet-geleidende toestand. Dit bepalende kenmerk van halfgeleiders zoals silicium is cruciaal voor het maken van transistors, die ten grondslag liggen aan alle elektronica.

Echter, zodra je grafeen in smalle linten knipt, ze krijgen halfgeleidende eigenschappen, op voorwaarde dat de randen de juiste geometrie hebben en er geen structurele gebreken zijn. Dergelijke nanoribbons zijn al gebruikt in experimentele transistors met redelijk goede eigenschappen, en door de elasticiteit van het materiaal kunnen de apparaten flexibel worden gemaakt. Hoewel het technologisch uitdagend is om 2D-materialen te integreren met 3D-elektronica, er zijn geen fundamentele redenen waarom nanolinten silicium niet zouden kunnen vervangen.

Een meer praktische manier om grafeen-nanoribbons te verkrijgen, is niet door grafeenplaten of nanobuisjes in stukken te snijden, maar andersom, door de stof atoom voor atoom te laten groeien. Deze benadering staat bekend als bottom-up synthese, en in tegenstelling tot zijn top-down tegenhanger, het levert structureel perfect op, en daarom technologisch bruikbaar, nanolinten. De momenteel dominante methode voor bottom-up synthese, bekend als zelfmontage, is kostbaar en moeilijk op te schalen voor industriële productie, daarom zoeken materiaalwetenschappers naar alternatieven.

"Grafeen nanoribbons zijn een materiaal waarvan de eigenschappen van belang zijn voor de fundamentele wetenschap en veelbelovend zijn voor toepassingen in allerlei futuristische apparaten. de standaardtechniek voor de synthese ervan heeft enkele nadelen, " legde Pavel Fedotov uit, een senior onderzoeker bij het MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials. "Het handhaven van ultrahoog vacuüm en het gebruik van een gouden substraat is erg kostbaar, en de output van materiaal is relatief laag."

"Mijn collega's en ik hebben een alternatieve manier voorgesteld om atomair onberispelijke nanolinten te synthetiseren. Het werkt niet alleen onder normaal vacuüm en met het veel goedkopere nikkelsubstraat, de opbrengst neemt toe doordat de nanoribbons worden geproduceerd als meerlaagse films, in plaats van individueel. Om deze films in monolaaglinten te scheiden, ze worden geschorst, " ging de onderzoeker verder. "Belangrijk, niets van dat alles doet afbreuk aan de kwaliteit van het materiaal. We hebben de afwezigheid van defecten bevestigd door de juiste Raman-verstrooiingsprofielen te verkrijgen en fotoluminescentie van onze nanolinten te observeren."

Grafeen nanoribbons zijn er in verschillende soorten, en degenen die de Russische wetenschappers vervaardigden met behulp van hun oorspronkelijke chemische dampafzettingstechniek, hebben de structuur die rechts in de afbeelding wordt weergegeven. Ze zijn zeven atomen breed en hebben randen die iemand vond die doen denken aan een fauteuil, vandaar de naam:7-A grafeen nanoribbons. Dit type nanolinten heeft de halfgeleidende eigenschappen die waardevol zijn voor elektronica, in tegenstelling tot zijn 7-Z neef met zigzagranden (links weergegeven), die zich als metaal gedraagt.

De synthese vindt plaats in een luchtdichte glazen buis die is geëvacueerd tot een miljoenste van de standaard atmosferische druk, dat is nog steeds 10, 000 keer hoger dan het ultrahoge vacuüm dat normaal vereist is voor zelfassemblage van nanoribbon. Het eerste gebruikte reagens is een vaste stof die koolstof bevat, waterstof, en broom en bekend als DBBA. Het wordt in de buis geplaatst met een nikkelfolie, voorgegloeid op 1, 000 graden Celsius om oxidefilm te verwijderen. De glazen buis met DBBA wordt vervolgens in twee fasen gedurende enkele uren onderworpen aan een warmtebehandeling:eerst bij 190 C, dan bij 380 C. De eerste verwarming leidt tot de vorming van lange polymeermoleculen, en tijdens de tweede fase, ze transformeren in nanolinten met een atomair nauwkeurige structuur, dicht opeengepakt in films tot 1, 000 nanometer dik.

Na het verkrijgen van de films, de onderzoekers hingen ze in een oplossing en stelden ze bloot aan ultrageluid, het opbreken van de meerlaagse "stapels" in één-atoom-dikke koolstof nanoribbons. De gebruikte oplosmiddelen waren chloorbenzeen en tolueen. Eerdere experimenten toonden aan dat deze chemicaliën optimaal zijn om nanoribbons op een stabiele manier te suspenderen, het voorkomen van aggregatie terug in stapels en het optreden van structurele defecten. Nanoribbon kwaliteitscontrole werd ook gedaan in suspensie, via optische methoden:de analyse van Raman-verstrooiing en fotoluminescentiegegevens bevestigde dat het materiaal geen significante defecten had.

Omdat de nieuwe synthesetechnologie voor het vervaardigen van foutloze meerlaagse 7-A koolstofnanoribbons relatief goedkoop en gemakkelijk op te schalen is, het is een belangrijke stap in de richting van de introductie van dat materiaal in de grootschalige productie van elektronische en optische apparaten die uiteindelijk veel beter zouden presteren dan de huidige.

"De ervaring leert dat zodra een nieuw koolstofmateriaal wordt ontdekt, dat betekent nieuwe eigenschappen en nieuwe toepassingen. En grafeen nanoribbons waren niet anders, " het hoofd van het MIPT-laboratorium voor nanokoolstofmaterialen, Elena Obraztsova herinnerde zich. "In eerste instantie nanoribbons werden gesynthetiseerd in enkelwandige koolstofnanobuizen, die diende om de lintbreedte te beperken. Het was op deze ingebedde nanoribbons dat luminescentie oorspronkelijk werd aangetoond, met zijn parameters variërend met nanobuisgeometrie."

"Onze nieuwe aanpak - bottom-up chemische dampafzetting - maakt het mogelijk ultrasmalle grafeenlinten te produceren in grote hoeveelheden en onder vrij milde omstandigheden:matig vacuüm, nikkel substraat. Het resulterende materiaal vertoont heldere excitonische fotoluminescentie. Het is veelbelovend voor veel toepassingen in niet-lineaire optica, die we gaan volgen, ’ voegde de onderzoeker eraan toe.