Splitsville for bornitrid nanorør

(PhysOrg.com) -- For Hollywood-berømtheder, udtrykket "splitsville" betyder normalt "tjek din prenup." For forskere, der ønsker at masseproducere højkvalitets nanobånd fra bornitrid nanorør, "splitsville" kunne betyde "lykkeligt til deres dages ende."

Forskere med Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley, arbejder med forskere ved Rice University, har udviklet en teknik, hvor bornitrid nanorør er fyldt med atomer af kalium, indtil rørene spaltes op langs en langsgående søm. Dette skaber fejlfri bornitrid nanobånd af ensartet længde og tykkelse. Bornitrid nanobånd forventes at vise en række spændende magnetiske og elektroniske egenskaber, der rummer et enormt potentiale for fremtidige enheder.

Nanobånd er todimensionelle enkeltkrystaller (betyder kun et enkelt atom i tykkelse), der kan måle flere mikrometer i længden, men kun et par hundrede eller mindre nanometer i bredden. Grafen nanobånd, som er lavet af rent kulstof, bærer elektroner med meget hurtigere hastigheder end silicium, og kan bruges til at dække brede områder og et bredt udvalg af former. Bornitrid nanobånd tilbyder lignende fordele plus et ekstra udvalg af elektroniske, optiske og magnetiske egenskaber.

"Der har været en betydelig mængde teoretisk arbejde, der indikerer, at afhængigt af båndets kanter, bornitrid nanobånd kan udvise ferromagnetisme eller anti-ferromagnetisme, samt spin-polariseret transport, som enten er metallisk eller halvledende, " siger fysiker Alex Zettl, en af ​​verdens førende forskere i systemer og enheder i nanoskala, som har fælles aftaler med Berkeley Labs Materials Sciences Division (MSD) og Physics Department ved UC Berkeley, hvor han er direktør for Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS).

"De unikke egenskaber ved bornitrid nanobånd er af stor grundlæggende videnskabelig interesse og har også implikationer for anvendelser i teknologier, der inkluderer spintronik og optoelektronik, " siger Zettl. "Men, det lette, skalerbar syntese af højkvalitets bornitrid nanobånd har været en betydelig udfordring."

Zettl og medlemmer af hans forskningsgruppe mødte denne udfordring ved hjælp af den kemiske proces kendt som "interkalation, " hvorved atomer eller molekyler af én type indsættes mellem atomer og molekyler af en anden type. James Tour ved Rice University og hans forskergruppe havde påvist, at indlejring af kaliumatomer i kulstofnanorør fremmer en langsgående opsplitning af rørene. Dette fik Zettl og Tour for at samarbejde om en undersøgelse, der brugte den samme tilgang til bornitrid nanorør, som i struktur minder meget om nanorør lavet af kulstof.

Zettl og Tour rapporterede resultaterne af denne undersøgelse i tidsskriftet Nano bogstaver . Artiklen havde titlen "Længdegående opsplitning af bornitrid-nanorør for den nemme syntese af bornitrid-nanorribbons af høj kvalitet." Medforfatter til papiret var Kris Erickson, Ashley Gibb, Michael Rousseas og Nasim Alem, som alle er medlemmer af Zettls forskningsgruppe, og Alexander Sinitskii, medlem af Tours forskningsgruppe.

"Den sandsynlige mekanisme for spaltning af både kulstof- og bornitrid-nanorør er, at kaliumøer vokser fra et indledende udgangspunkt for interkalation, " Zettl siger. "Denne ø-vækst fortsætter, indtil nok periferisk belastning resulterer i et brud af de kemiske bindinger i det interkalerede nanorør. Kalium begynder derefter at binde sig til den nøgne båndkant, inducerer yderligere opsplitning."

Denne synteseteknik giver bornitrid nanobånd med ensartede bredder, der kan være så smalle som 20 nanometer. Båndene er også mindst en mikron lange, med minimale defekter i planet eller langs kanterne. Zettl siger, at den høje kvalitet af kanterne peger på, at opdelingsprocessen er velordnet snarere end tilfældig. Denne ordentlighed kunne forklare, hvorfor en høj andel af bornitrid-nanobåndene viser de eftertragtede zigzag- eller lænestolsformede kanter, frem for andre kantorienteringer.

Kanter er kritiske determinanter for et nanobånds egenskaber, fordi elektronerne langs kanten af ​​en båndkant kan interagere med elektronerne langs kanten af ​​et andet bånd, hvilket resulterer i den type energigab, der er afgørende for fremstilling af enheder. For eksempel, zigzaggede kanter i grafen nanobånd har vist sig at være i stand til at bære en magnetisk strøm, hvilket gør dem til kandidater til spintronics, computerteknologien baseret på spin snarere end ladningen af ​​elektroner.

Kris Erickson, hvem var hovedforfatter på Nano bogstaver papir, siger, at "I betragtning af den betydelige afhængighed af bornitrid-nanobåndskanter for at præge særlige elektroniske og magnetiske egenskaber, den høje sandsynlighed for at syntetisere bånd med zigzag og lænestolskanter gør vores teknik særligt velegnet til at adressere teoretiske forudsigelser og realisere foreslåede anvendelser."

Erickson siger også, at det burde være muligt at funktionalisere kanterne af bornitrid nanobåndene, da disse kanter afsluttes med kemisk reaktive kaliumatomer efter syntese og med reaktive brintatomer efter eksponering for vand eller ethanol.

"Den kaliumterminerede kant kunne nemt erstattes med en anden art end brint, " siger Erickson. "Forskellige kemikalier kan bruges til bratkøling for at give andre opsigelser, og, desuden, hydrogen kunne erstattes efter quenching ved enten at bruge etablerede bornitrid-funktionaliseringsveje, eller ved at udtænke nye ruter, der er unikke for den meget reaktive nanobåndkant."

Zettl og hans forskergruppe undersøger nu alternative synteser ved hjælp af forskellige bornitrid-nanorør-prækursorer for at øge udbyttet og forbedre oprensningsprocessen. De forsøger også at funktionalisere kanterne af deres nanobånd, og de er i gang med at bestemme, om de forskellige forudsagte kanttilstande for disse nanobånd kan studeres.

"Det, vi virkelig har mest brug for lige nu, er en bedre kilde til bornitrid-nanorør, " siger Zettl.