Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Keulen is er voor het eerst in geslaagd om verschillende atomair nauwkeurige nanoribbons van grafeen met elkaar te verbinden, een wijziging van koolstof, complexe structuren te vormen. De wetenschappers hebben nanoribbon heterojuncties gesynthetiseerd en spectroscopisch gekarakteriseerd. Vervolgens konden ze de heterojuncties integreren in een elektronische component. Op deze manier, ze hebben een nieuwe sensor gemaakt die zeer gevoelig is voor atomen en moleculen. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd onder de titel 'Tunneling current modulation in aatomically precieze graphene nanoribbon heterojunctions' in Natuurcommunicatie . Het werk werd uitgevoerd in nauwe samenwerking tussen het Instituut voor Experimentele Fysica en de afdeling Scheikunde van de Universiteit van Keulen, evenals met onderzoeksgroepen uit Montreal, Novosibirsk, Hiroshima, en Berkeley. Het werd gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG) en de Europese Onderzoeksraad (ERC).

De heterojuncties van grafeen nanoribbons zijn slechts één nanometer - een miljoenste van een millimeter - breed. Grafeen bestaat uit slechts een enkele laag koolstofatomen en wordt beschouwd als het dunste materiaal ter wereld. In 2010, onderzoekers in Manchester zijn er voor het eerst in geslaagd om één-atoomlagen van grafeen te maken, waarvoor ze de Nobelprijs wonnen. "De grafeen-nanoribbon-heterojuncties die zijn gebruikt om de sensor te maken, zijn elk zeven en veertien koolstofatomen breed en ongeveer 50 nanometer lang. Wat ze bijzonder maakt, is dat hun randen vrij zijn van defecten. Daarom worden ze "atomair precieze" nanoribbons genoemd, " verklaarde Dr. Boris Senkovskiy van het Instituut voor Experimentele Fysica. De onderzoekers verbonden verschillende van deze nanoribbon-heterojuncties aan hun korte uiteinden, waardoor complexere heterostructuren worden gecreëerd die fungeren als tunnelbarrières.

De heterostructuren werden onderzocht met behulp van hoek-opgeloste foto-emissie, optische spectroscopie, en scanning tunneling microscopie. In de volgende stap, de gegenereerde heterostructuren werden geïntegreerd in een elektronisch apparaat. De elektrische stroom die door de nanoribbon-heterostructuur vloeit, wordt bepaald door het kwantummechanische tunneleffect. Dit betekent dat onder bepaalde voorwaarden, elektronen kunnen bestaande energiebarrières in atomen overwinnen door 'tunneling, ' zodat er dan een stroom vloeit ook al is de barrière groter dan de beschikbare energie van het elektron.

De onderzoekers bouwden een nieuwe sensor voor de adsorptie van atomen en moleculen uit de nanoribbon heterostructuur. De tunnelstroom door de heterostructuur is bijzonder gevoelig voor adsorbaten die zich ophopen op oppervlakken. Dat is, de stroomsterkte verandert wanneer atomen of moleculen, zoals die van gassen, zich ophopen op het oppervlak van de sensor. “De prototype sensor die we hebben gebouwd heeft uitstekende eigenschappen. het is bijzonder gevoelig en kan worden gebruikt om zelfs de kleinste hoeveelheden adsorbaten te meten, " zei professor Dr. Alexander Grüneis, hoofd van een onderzoeksgroep aan het Institute of Experimental Physics.