Grafeen nanoribbons (GNR's) zijn smalle en lange stroken grafeen met een breedte van minder dan 100 nm. GNR's met gladde randen, een aanzienlijke bandgap en hoge mobiliteit van ladingsdragers zou zeer waardevol kunnen zijn voor een breed scala aan elektronische en opto-elektronische toepassingen. Tot dusver, echter, ingenieurs hebben nog geen methode geïntroduceerd om deze bruikbare componenten op grote schaal te bereiden.

Onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong University, Stanford universiteit, en andere instituten in de VS en China, hebben onlangs een nieuwe strategie bedacht om GNR's te creëren met gladde randen die minder dan 10 nm breed zijn. Deze methode, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuur Elektronica , is gebaseerd op het gebruik van geplette koolstofnanobuisjes (CNT's), buizen gemaakt van koolstof die typisch diameters op nanometerschaal hebben.

"Het idee achter ons werk is dat als koolstofnanobuisjes (CNT's) in GNR's kunnen worden geplet, we zouden in staat zijn om smalle (minder dan 5 nm brede) GNR's te produceren van CNT's met kleine diameters, "Prof. Changxin Chen en Wendy L. Mao, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelde Phys.org . "Bovendien, de GNR's die met behulp van deze methode zijn opgesteld, zullen veel smaller zijn dan die welke met eerdere methoden zijn verkregen."

De recente studie van Prof. Chen, Mao, Prof. Hongjie Dai en hun collega's waren een gezamenlijke inspanning van hun respectievelijke onderzoeksgroepen aan de Shanghai Jiao Tong University en Stanford University, met aanvullende inbreng van andere instellingen. Een team onder leiding van Prof. Chen en Dai ontwikkelde voornamelijk de methode en processen van de hogedruk/thermische behandeling om de CNT's in GNR's te pletten, evenals over het verzamelen van karakteriseringen van de voorbereide GNR's, berekeningen en prestatiemetingen van het apparaat. De onderzoeksgroep van prof. Wendy Mao voerde de hogedrukdiamant-aambeeldcel (DAC) experimenten uit waardoor de CNT's werden geplet.

Een ander doel van deze recente samenwerking was het bereiken van atomair gladde randen door de hele GNR's, door randgesloten GNR's te vormen die een hoge materiaal- en apparaatmobiliteit vertoonden. Om hun sub-10 nm brede en lange GNR's met atomair gladde gesloten randen te produceren, de onderzoekers pletten CNT's samen met behulp van de hogedruk- en thermische behandelingsmethode die is bedacht door Chen en zijn team.

"We gebruikten een DAC voor de hogedrukbehandeling van CNT's, " Chen en Mao legden uit. "De CNT-monsters werden verzegeld in een monsterkamer in de DAC en werden vervolgens samengeperst tussen de uiteinden van twee diamanten aambeelden. Om de geplette monsterstructuur te stabiliseren, we voerden een thermische behandeling uit op het monster terwijl het onder hoge druk stond."

De GNR's gemaakt door Chen, Mao, Dai en hun collega's hebben atomair gladde, gesloten randen en zeer weinig gebreken. Met behulp van de methode die ze bedachten, het team was zelfs in staat om sub-5-nm GNR's te produceren met een minimale breedte van 1,4 nm. Opmerkelijk, ze ontdekten dat een veldeffecttransistor (FET) op basis van een 2,8 nm brede edge-closed GNR een hoge l _Aan / l _uit verhouding van> 10 ⁴ , veldeffectmobiliteit van 2, 443 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ en on-state kanaalgeleiding van 7,42 mS.

"Ons onderzoek bewijst dat sub-10-nm-brede halfgeleidende grafeen-nanoribbons met atomair gladde gesloten randen kunnen worden geproduceerd door koolstofnanobuisjes te pletten met behulp van een gecombineerde hogedruk- en thermische behandeling, " zeiden Chen en Mao. "Met deze benadering, nanoribbons zo smal als 1,4 nm kunnen worden gemaakt. De randgeopende nanolinten werden ook vervaardigd met salpeterzuur als oxidatiemiddel om selectief de randen van de geplette nanobuisjes onder hoge druk te etsen."

De studie kan belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van nieuwe elektronische en opto-elektronische apparaten. In de toekomst, de methode bedacht door Chen, Mao, Dai en hun collega's zouden kunnen worden gebruikt om hoogwaardige, smal, en lange halfgeleidende GNR's.

In aanvulling, hun fabricagestrategie stelt ingenieurs in staat om de randtypes van een GNR te controleren. Dit zou kunnen helpen om de fundamentele eigenschappen en praktische toepassingen van GNR's in elektronica en opto-elektronica verder te onderzoeken. uiteindelijk, de door Chen ontwikkelde methode, Mao, Dai and their colleagues could also be adapted to also synthesize other desirable materials-based nanoribbons using squashed nanotubes or to flatten other fullerene materials.

"Now that we have demonstrated the potential of our approach, we are investigating ways to make the synthesis conditions more practical and ways to scale up the synthesis of GNRs (e.g., decreasing the pressure needed for squashing CNTs by regulating the temperature of the sample in the high-pressure treatment or introducing additional deviatoric-stress component in the pressure), " Chen and Mao added. "In our next studies, we also plan to explore more unique characteristics of the edge-closed GNRs we created."

© 2021 Science X Network