Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Onderzoekers bevestigen elektroden op individuele atomair nauwkeurige grafeen nanolinten

De extreem smalle linten met hun atomair precieze rand vertonen sterke kwantumeffecten, waardoor ze bijzonder interessant zijn voor onderzoekers. Credit:Empa

Ultieme precisie, tot op enkele atomen

Onderzoek naar de veelbelovende linten is niet eenvoudig. Hoe smaller het lint, hoe duidelijker de kwantumeigenschappen ervan zijn, maar het wordt ook moeilijker om toegang te krijgen tot één enkel lint tegelijk. Dit is precies wat er moet gebeuren om de unieke kenmerken en mogelijke toepassingen van dit kwantummateriaal te begrijpen en deze te onderscheiden van collectieve effecten.

Dat blijkt uit een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Nature Electronics Perrin en Empa-onderzoeker Jian Zhang zijn er samen met een internationaal team voor het eerst in geslaagd om individuele lange en atomair nauwkeurige grafeen-nanolinten in contact te brengen. "Een grafeen nanolint dat slechts negen koolstofatomen breed is, is slechts 1 nanometer breed", zegt Zhang. Om ervoor te zorgen dat slechts één nanolint in contact komt, gebruikten de onderzoekers elektroden van vergelijkbare grootte. Ze gebruikten koolstofnanobuisjes met een diameter van slechts 1 nanometer.

Precisie is essentieel voor zo'n delicaat experiment. Het begint met het bronmateriaal. De onderzoekers verkregen de grafeen-nanolinten via een sterke en langdurige samenwerking met Empa's nanotech@surfaces-laboratorium, onder leiding van Roman Fasel. "Roman Fasel en zijn team werken al heel lang aan grafeen-nanolinten en kunnen veel verschillende typen met atomaire precisie synthetiseren uit individuele precursormoleculen", legt Perrin uit. De precursormoleculen waren afkomstig van het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz.

Zoals vaak vereist is voor het bevorderen van de stand van de techniek, is interdisciplinariteit van cruciaal belang, en er waren verschillende internationale onderzoeksgroepen bij betrokken, die elk hun eigen specialiteit inbrachten. De koolstofnanobuisjes werden gekweekt door een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Peking, en om de resultaten van het onderzoek te interpreteren werkten de Empa-onderzoekers samen met computationele wetenschappers van de Universiteit van Warwick. "Een project als dit zou niet mogelijk zijn zonder samenwerking", benadrukt Zhang.

Het in contact brengen van individuele linten met nanobuisjes vormde een aanzienlijke uitdaging voor de onderzoekers. "De koolstofnanobuisjes en de grafeen-nanolinten worden op afzonderlijke substraten gekweekt", legt Zhang uit. "Eerst moeten de nanobuisjes worden overgebracht naar het substraat van het apparaat en in contact worden gebracht met metalen elektroden. Vervolgens snijden we ze met elektronenstraallithografie met hoge resolutie om ze in twee elektroden te scheiden." Tenslotte worden de linten overgebracht op hetzelfde substraat. Precisie is de sleutel:zelfs de kleinste rotatie van de substraten kan de kans op succesvol contact aanzienlijk verkleinen. "Toegang hebben tot hoogwaardige infrastructuur in het Binnig en Roher Nanotechnology Center bij IBM Research in Rüschlikon was essentieel om deze technologie te testen en te implementeren", zegt Perrin.

De eigenschappen van nanolinten variëren afhankelijk van hun breedte en de vorm van hun randen. Credit:Empa

Van computers tot energieconverters

De wetenschappers bevestigden het succes van hun experiment door middel van ladingstransportmetingen. ‘Omdat kwantumeffecten meestal meer uitgesproken zijn bij lage temperaturen, hebben we de metingen uitgevoerd bij temperaturen dichtbij het absolute nulpunt in een hoog vacuüm’, legt Perrin uit. Hij voegt eraan toe:"Vanwege de extreem kleine omvang van deze nanolinten verwachten we dat hun kwantumeffecten zo robuust zijn dat ze zelfs bij kamertemperatuur waarneembaar zijn."

Dit zou ons volgens de onderzoeker in staat kunnen stellen chips te ontwerpen en te exploiteren die actief kwantumeffecten benutten zonder de noodzaak van een uitgebreide koelinfrastructuur.

"Dit project maakt de realisatie van afzonderlijke nanolint-apparaten mogelijk, niet alleen om fundamentele kwantumeffecten te bestuderen, zoals hoe elektronen en fononen zich op nanoschaal gedragen, maar ook om dergelijke effecten te exploiteren voor toepassingen in kwantumschakeling, kwantumdetectie en kwantumenergieconversie," voegt Hatef Sadeghi toe, een professor aan de Universiteit van Warwick die aan het project heeft meegewerkt.

Grafeen nanolinten zijn nog niet klaar voor commerciële toepassingen en er moet nog veel onderzoek worden gedaan. In een vervolgstudie willen Zhang en Perrin verschillende kwantumtoestanden op één nanolint manipuleren. Daarnaast zijn ze van plan apparaten te maken op basis van twee in serie geschakelde linten, die een zogenaamde dubbele kwantumdot vormen.

Zo’n circuit zou kunnen dienen als een qubit – de kleinste informatie-eenheid in een kwantumcomputer. Perrin is van plan het gebruik van nanolinten als zeer efficiënte energieomzetters te onderzoeken.

Meer informatie: Jian Zhang et al., Contact maken met individuele grafeen-nanolinten met behulp van koolstofnanobuiselektroden, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00991-3

Journaalinformatie: Natuurelektronica

Geleverd door Zwitserse federale laboratoria voor materiaalwetenschappen en technologie




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Neushoornstroper krijgt 20 jaar cel in Zuid-Afrika
  2. Technische industriële microalgen voor het produceren van gezonde biologische olie
  3. Hoe het Human Microbiome-project werkt
  4. Grootte van witrotschimmels verklaard door de breedte van de betrokken genfamilies
  5. Studie ontdekt dat cellulaire activiteit die erop wijst dat recycling in ons DNA zit
  6. De majestueuze orchidee uit Singapore genoemd ter ere van koningin Elizabeth
  7. 10 toepassingen voor zuurstof
  8. Voorbeelden van diffusie in organen
  9. Chimpansees kunnen leren gereedschap te gebruiken zonder anderen te observeren

Wetenschap