Nanoribbons til grafen -transistorer

I det seneste nummer af Natur , Europæiske forskere fra Empa og Max Planck Institute for Polymer Research rapporterer, hvordan de for første gang har formået at dyrke grafenbånd, der er få nanometer brede, ved hjælp af en simpel overfladebaseret kemisk metode. Grafenbånd anses for at være "varme kandidater" til fremtidige elektronikapplikationer, da deres egenskaber kan justeres gennem bredde og kantform.

Transistorer på basis af grafen anses for at være potentielle efterfølgere for de siliciumkomponenter, der i øjeblikket er i brug. Grafen består af todimensionale kulstoflag og har en række fremragende egenskaber:det er ikke kun hårdere end diamant, ekstremt rivefast og uigennemtrængelig for gasser, men det er også en glimrende elektrisk og termisk leder. Imidlertid, da grafen er et halvmetal mangler det, i modsætning til silicium, et elektronisk båndgab og har derfor ingen omstillingsevne, som er afgørende for elektronikapplikationer. Forskere fra Empa, Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz (Tyskland), ETH Zürich og universiteterne i Zürich und Bern har nu udviklet en ny metode til at skabe grafenbånd med båndgab.

Til dato, grafenbånd er blevet "klippet" fra større grafenark, ligner tagliatelle, der skæres af pastadej. Eller kulstof -nanorør blev åbnet i længderetningen og foldet ud. Dette giver anledning til et båndgab via en kvantemekanisk effekt - gapet er et energiområde, der ikke kan optages af elektroner, og som bestemmer de fysiske egenskaber, f.eks. skiftefunktionen. Bredden (og kantformen) af grafenbåndet bestemmer størrelsen af ​​båndgabet og påvirker derved egenskaberne af komponenter konstrueret ud fra båndet.

Hvis ekstremt smalle grafenbånd (godt under 10 nanometer brede), der også har veldefinerede kanter, kunne fremstilles, så ræsonnementet, så kan de muligvis tillade komponenter, der udviser specifikke optiske og elektroniske egenskaber:afhængigt af krav, justering af båndgabet kunne bruges til at finjustere en transistors koblingsegenskaber. Dette er ingen ond bedrift, som de litografiske metoder, der har været brugt indtil nu, for eksempel til skæring af grafenlag, støde på grundlæggende barrierer; de giver bånd, der er for brede og har diffuse kanter.

I spørgsmålet om Natur offentliggjort den 22. juli 2010, forskere under ledelse af Roman Fasel, Seniorforsker ved Empa og professor for kemi og biokemi ved universitetet i Bern, og Klaus Müllen, Direktør ved Max Planck Institute for Polymer Research, beskrive en simpel overfladebaseret kemisk metode til at skabe sådanne smalle bånd uden behov for klipning, i en bottom-up tilgang, dvs. fra de grundlæggende byggesten. For at opnå dette, de spredte specielt designede halogensubstituerede monomerer på guld- og sølvoverflader under ultrahøje vakuumforhold. Disse er forbundet til dannelse af polyphenylenkæder i et første reaktionstrin.

I et andet reaktionstrin, initieret af lidt højere opvarmning, hydrogenatomer fjernes og kæderne er forbundet til en plan, aromatisk grafensystem. Dette resulterer i grafenbånd af tykkelsen af ​​et enkelt atom, der er et nanometer bredt og op til 50 nm i længden. Grafenbåndene er således så smalle, at de udviser et elektronisk båndgab og derfor, som det er tilfældet med silicium, besidder skifteegenskaber - et første og vigtigt trin for skiftet fra siliciummikroelektronik til grafen -nanoelektronik. Og hvis dette ikke var nok, grafenbånd med forskellige rumlige strukturer (enten lige linjer eller med zig-zag-former) oprettes, afhængigt af hvilke molekylære monomerer forskerne brugte.

Da forskerne nu (næsten) kan producere grafenbånd efter behag, de vil begynde at undersøge deres ejendomme, for eksempel hvordan de magnetiske egenskaber af grafenbåndene kan påvirkes af forskellige kantstrukturer. Den overfladebaserede kemiske metode åbner også for interessante muligheder med hensyn til målrettet doping af grafenbånd:brug af monomerkomponenter med nitrogen- eller boratomer i veldefinerede positioner eller anvendelse af monomerer med yderligere funktionelle grupper bør muliggøre oprettelse af positivt og negativt dopede grafenbånd.

En kombination af forskellige monomerer er også mulig og kan tillade, for eksempel, oprettelsen af ​​såkaldte heterojunctions - grænseflader mellem forskellige typer grafenbånd, såsom bånd med små og store båndgab - som kunne bruges i solceller eller højfrekvente komponenter. The scientists have already demonstrated that the underlying principle for this works:they have connected three graphene ribbons to each other at a nodal point by means of two suitable monomers.

Til dato, the scientists have focused on graphene ribbons on metal surfaces. Imidlertid, to be usable in electronics the graphene ribbons need to be created on semi-conductor surfaces or methods must be developed to transfer the ribbons from metal to semi-conductor surfaces. And first results in this direction also give the scientists good reasons to be optimistic.