Elektronisk liv på kanten:Forskere opdager kanttilstandene af grafen nanobånd

(PhysOrg.com) -- Så langt tilbage som i 1990'erne, længe før nogen faktisk havde isoleret grafen - et bikagegitter af kulstof, der kun er et atom tykt - forudsagde teoretikere ekstraordinære egenskaber ved kanterne af grafen nanobånd. Nu fysikere ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), og deres kolleger ved University of California i Berkeley, Stanford University, og andre institutioner, har foretaget de første præcise målinger af "kanttilstande" af velordnede nanobånd.

Et grafen nanobånd er en stribe grafen, der måske kun er nogle få nanometer bred (en nanometer er en milliardtedel af en meter). Teoretikere har forestillet sig, at nanobånd, afhængig af deres bredde og den vinkel, de skæres i, ville have unikke elektroniske, magnetiske, og optiske funktioner, inklusive båndgab som dem i halvledere, hvilket ark grafen ikke har.

"Ingen har indtil nu været i stand til at teste teoretiske forudsigelser vedrørende nanobånds kanttilstande, fordi ingen kunne finde ud af, hvordan man kan se strukturen i atomskalaen på kanten af ​​et velordnet grafen nanobånd, og hvordan, på samme tid, at måle dets elektroniske egenskaber inden for nanometer fra kanten, " siger Michael Crommie fra Berkeley Lab's Materials Sciences Division (MSD) og UC Berkeley's Physics Division, der ledede forskningen. "Vi var i stand til at opnå dette ved at studere specialfremstillede nanobånd med et scanning tunneling mikroskop."

Holdets forskning bekræfter ikke kun teoretiske forudsigelser, men åbner muligheden for at bygge hurtigvirkende, energieffektive enheder i nanoskala fra grafen-nanoribbon-switche, spin-ventiler, og detektorer, baseret på enten elektronladning eller elektronspin. Længere hen ad vejen, graphene nanoribbon kanttilstande åbner muligheden for enheder med justerbar gigantisk magnetoresistens og andre magnetiske og optiske effekter.

Crommie og hans kolleger har offentliggjort deres forskning i Naturfysik , tilgængelig 8. maj 2011 i avanceret online publikation.

Det veltempererede nanobånd

"At lave flager og plader af grafen er blevet almindeligt, "Crommie siger, "men indtil nu, nanobånd fremstillet ved forskellige teknikker har udstillet, i bedste fald, en høj grad af inhomogenitet" – hvilket typisk resulterer i uordnede båndstrukturer med kun korte strækninger af lige kanter, der vises tilfældigt. Det væsentlige første trin i detektering af nanobåndskanttilstande er adgang til ensartede nanobånd med lige kanter, velordnet på atomskalaen.

Hongjie Dai fra Stanford Universitys afdeling for kemi og laboratorium for avancerede materialer, et medlem af forskergruppen, løste dette problem med en ny metode til at "udpakke" kulstofnanorør kemisk. Grafen rullet ind i en cylinder danner et nanorør, og når nanorør lynes ud på denne måde, løber skiven lige ned langs rørets længde, forlader velordnet, lige kanter.

Grafen kan pakkes ind i næsten enhver vinkel for at lave et nanorør. Måden nanorøret pakkes på bestemmer tonehøjden, eller "chiral vektor, " af nanobåndets kant, når røret er trukket ud. Et snit lige langs de ydre atomer i en række af sekskanter giver en zigzag-kant. Et snit lavet i en 30-graders vinkel fra en zigzag-kant går gennem midten af ​​sekskanterne og giver efter skæve kanter, kendt som "lænestol" kanter. Mellem disse to yderpunkter er der en række chirale vektorer, der beskriver kanter på nanoskalaen, hvori, for eksempel, efter hvert par sekskanter tilføjes et zigzag-segment i en vinkel.

Disse subtile forskelle i kantstruktur er blevet forudsagt at producere målbart forskellige fysiske egenskaber, som potentielt kunne udnyttes i nye grafenapplikationer. Steven Louie fra UC Berkeley og Berkeley Labs MSD var forskerholdets teoretiker; med hjælp fra postdoc Oleg Yazyev, Louie beregnede de forventede resultater, som derefter blev testet mod eksperiment.

Chenggang Tao fra MSD og UCB ledede et hold af kandidatstuderende i at udføre scanning tunneling microscopy (STM) af nanobåndene på et guldsubstrat, som løste positionerne af individuelle atomer i grafen nanobåndene. Holdet så på mere end 150 højkvalitets nanobånd med forskellige chiraliteter, som alle viste et uventet træk, en regulær hævet kant nær deres kanter, der danner en pukkel eller skråkant. Når først dette blev etableret som en ægte kantfunktion - ikke artefakten af ​​et foldet bånd eller et fladtrykt nanorør - kunne chiraliteten og de elektroniske egenskaber af velordnede nanobåndkanter måles med tillid, og kantområderne teoretisk modelleret.

Elektronik i kanten

"Todimensionelle grafenplader er bemærkelsesværdige i, hvor frit elektroner bevæger sig gennem dem, inklusive det faktum, at der ikke er noget bandgab, " siger Crommie. "Nanobånd er forskellige:elektroner kan blive fanget i smalle kanaler langs nanobåndets kanter. Disse kanttilstande er endimensionelle, men elektronerne på den ene kant kan stadig interagere med kantelektronerne på den anden side, hvilket får en energikløft til at åbne sig."

Ved at bruge en STM i spektroskopitilstand (STS), holdet målte elektroniske tæthedsændringer, da en STM-spids blev flyttet fra en nanobåndkant indad mod dens indre. Nanobånd af forskellig bredde blev undersøgt på denne måde. Forskerne opdagede, at elektroner er begrænset til kanten af ​​nanobåndene, og at disse elektroner med nanobåndkant udviser en udtalt opsplitning i deres energiniveauer.

"I kvanteverdenen, elektroner kan beskrives som bølger ud over at være partikler, " bemærker Crommie. Han siger, at en måde at forestille sig, hvordan forskellige kanttilstande opstår, er at forestille sig en elektronbølge, der fylder længden af ​​båndet og diffrakterer fra atomerne nær dets kant. Diffraktionsmønstrene ligner vandbølger, der kommer gennem spalter i en barriere.

Til nanobånd med lænestolskant, the diffraction pattern spans the full width of the nanoribbon; the resulting electron states are quantized in energy and extend spatially throughout the entire nanoribbon. For nanoribbons with a zigzag edge, imidlertid, the situation is different. Here diffraction from edge atoms leads to destructive interference, causing the electron states to localize near the nanoribbon edges. Their amplitude is greatly reduced in the interior.

The energy of the electron, the width of the nanoribbon, and the chirality of its edges all naturally affect the nature and strength of these nanoribbon electronic states, an indication of the many ways the electronic properties of nanoribbons can be tuned and modified.

Says Crommie, "The optimist says, 'Wow, look at all the ways we can control these states – this might allow a whole new technology!' The pessimist says, 'Uh-oh, look at all the things that can disturb a nanoribbon's behavior – how are we ever going to achieve reproducibility on the atomic scale?'"

Crommie himself declares that "meeting this challenge is a big reason for why we do research. Nanoribbons have the potential to form exciting new electronic, magnetiske, and optical devices at the nanoscale. We might imagine photovoltaic applications, where absorbed light leads to useful charge separation at nanoribbon edges. We might also imagine spintronics applications, where using a side-gate geometry would allow control of the spin polarization of electrons at a nanoribbon's edge."

Although getting there won't be simple -- "The edges have to be controlled, " Crommie emphasizes -- "what we've shown is that it's possible to make nanoribbons with good edges and that they do, Ja, have characteristic edge states similar to what theorists had expected. This opens a whole new area of future research involving the control and characterization of graphene edges in different nanoscale geometries."