Grafan giver nyt potentiale:Fysikere graver teoretiske brønde for at mine kvanteprikker

Grafhan er det foretrukne materiale for fysikere på forkant med materialevidenskab, og Rice University-forskere er lige der med flokken - og måske lidt foran.

Forskere mentoreret af Boris Yakobson, en risprofessor i maskinteknik og materialevidenskab og i kemi, har opdaget den strategiske udvinding af brintatomer fra et todimensionelt ark grafan, der naturligt åbner rum af ren grafen, der ser ud - og virker - som kvanteprikker.

Det åbner op for en ny verden af ​​muligheder for en stadigt krympende klasse af nanoelektronik, der afhænger af kvanteprikkernes meget kontrollerbare halvledende egenskaber, især inden for avanceret optik.

Det teoretiske arbejde af Abhishek Singh og Evgeni Penev, begge postdoktorale forskere i medforfatter Yakobsons gruppe, blev offentliggjort online i sidste uge i tidsskriftet ACS Nano og vil være på forsiden af ​​den trykte version i juni. Rice blev for nylig kåret som verdens nr. 1 institution for materialevidenskabelig forskning af en britisk publikation.

Grafen er blevet materialernes flade Stanley. Den et-atom-tykke, honeycomb-lignende form for kulstof kan være todimensionel, men det ser ud til at være overalt, udråbt som en løsning på at træde ud over grænserne for Moores lov.

Grafan er simpelthen grafen modificeret af hydrogenatomer tilføjet til begge sider af matrixen, hvilket gør det til en isolator. Selvom det stadig teknisk set kun er et enkelt atom tykt, grafan giver store muligheder for manipulation af materialets halvledende egenskaber.

Kvanteprikker er krystallinske molekyler fra få til mange atomer i størrelse, der interagerer med lys og magnetiske felter på unikke måder. Størrelsen af ​​en prik bestemmer dens båndgab - mængden af ​​energi, der skal til for at lukke kredsløbet - og gør den indstillelig til en præcis grad. Frekvenserne af lys og energi frigivet af aktiverede prikker gør dem særligt nyttige til kemiske sensorer, solceller, medicinsk billeddannelse og nanoskala kredsløb.

Singh og Penev beregnede, at fjernelse af øer af brint fra begge sider af en grafanmatrix efterlader en brønd med alle kvanteprikkernes egenskaber, hvilket også kan være nyttigt til at skabe arrays af prikker til mange applikationer.

"Vi kom frem til disse ideer fra en helt anden undersøgelse af energilagring i en form for brintadsorption på grafen, " sagde Yakobson. "Abhishek og Evgeni indså, at denne fasetransformation (fra grafen til grafan), ledsaget af skiftet fra metal til isolator, tilbyder en ny palette til nanoteknik."

Deres arbejde afslørede flere interessante karakteristika. De fandt ud af, at når bidder af brintundergitteret fjernes, det efterladte område er altid sekskantet, med en skarp grænseflade mellem grafen og grafan. Dette er vigtigt, de sagde, fordi det betyder, at hver prik er meget indeholdt; beregninger viser meget lidt lækage af ladning ind i grafanværtsmaterialet. (Hvordan, præcis, at fjerne brintatomer fra gitteret er fortsat et spørgsmål for materialeforskere, hvem arbejder på det, de sagde.)

"Du har et atom-lignende spektre indlejret i et medie, og så kan du lege med båndgabet ved at ændre størrelsen på prikken, " sagde Singh. "Du kan i det væsentlige justere de optiske egenskaber."

Sammen med optiske applikationer, prikkerne kan være nyttige i enkelt-molekyle sensing og kan føre til meget små transistorer eller halvlederlasere, han sagde.

Der er stadig udfordringer med at finde ud af, hvordan man laver arrays af kvanteprikker i et ark grafan, men hverken Singh eller Penev ser forhindringerne som uoverstigelige.

"Vi mener, at de vigtigste konklusioner i papiret er nok til at begejstre eksperimenter, " sagde Singh, som snart forlader Rice for at blive adjunkt ved Indian Institute of Science i Bangalore. "Nogle arbejder allerede i de retninger, vi udforskede."

"Deres arbejde understøtter faktisk det, vi foreslår, at du kan lave dette mønster på en kontrolleret måde, " sagde Penev.

Hvornår kan deres beregninger bære kommerciel frugt? "Det er et svært spørgsmål, " sagde Singh. "Det vil ikke være så langt, sandsynligvis -- men der er udfordringer. Jeg ved ikke, om vi kan give det en tidsramme, men det kan ske snart."