Grafen nanobånd vokser på grund af domino-lignende effekt

(PhysOrg.com) -- Mens mange laboratorier forsøger effektivt at syntetisere store todimensionelle ark af grafen, et hold forskere fra Sverige og Storbritannien undersøger syntesen af ​​meget tynde strimler af grafen, der kun er få atomer brede. I modsætning til grafen, disse grafen nanobånd har en unik elektronisk struktur inklusive et ikke-nul båndgab, hvilket gør dem til lovende kandidater til halvlederapplikationer. Men, som med grafenark, en af ​​de største udfordringer for nu er at finde en måde til effektivt at syntetisere disse grafen -nanoribbons.

I deres undersøgelse, forskere Jonas Björk og Sven Stafström fra Linköping Universitet i Sverige og Felix Hanke fra University of Liverpool i Storbritannien har brugt en kraftig supercomputer på Linköping Universitet til at undersøge, hvordan grafen nanobånd vokser fra en anthracenpolymer på et guldsubstrat. Resultaterne af deres undersøgelse er offentliggjort i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society .

Forskerne opdagede, at i den mest sandsynlige vækstproces af nanobånd, guldsubstratet fungerer som mere end blot en støtte, hvor reaktionen kan finde sted. Guldet katalyserer faktisk reaktionen ved at tiltrække hydrogenatomer fra anthracenpolymeren (som er lavet af benzenringe) for at binde sig til guldoverfladen, initiering af det første trin af reaktionen. I denne "dehydrogeneringsproces" to hydrogenatomer fra hver enhed af anthracenpolymeren overføres til guldoverfladen, efterlader en kulstof-kulstofbinding. Kulstof-kulstof-bindingen udgør en del af grafens honeycomb-gitter. I mellemtiden brintatomerne frigives fra guldoverfladen gennem desorption i vakuumet.

Supercomputeren afslørede også, at denne dehydrogeneringsreaktion gentager sig på grund af virkningerne af positiv kooperativitet:Når en polymerenhed har en nabo, der har en carbon-carbon-binding, dets sandsynlighed for at gennemgå den samme reaktion og opnå sin egen kulstof-kulstof-binding stiger. Resultatet er, at reaktionen, som starter i den ene ende af polymeren, formerer sig enhed for enhed gennem hele polymeren på en domino-lignende måde. Efter flere minutter, hele polymeren omdannes til et veldefineret grafen nanobånd med en bredde på syv kulstofatomer.

At finde ud af, hvordan grafen-nanobånd syntetiseres på denne måde, er en kompliceret proces i molekylær skala, som kun kan optrævles i detaljer af kraftfulde supercomputere. Selvom der er et par andre reaktionsveje, som reaktionen kan tage, forskerne beregnede, at denne reaktion er meget favoriseret frem for de andre:De anslog, at 10, 000 reaktioner fortsætter ad denne vej end ved den næstmest gunstige reaktion. Forståelse af reaktionen vil give forskerne mulighed for at identificere den bedste fremstillingsmetode til fremtidige eksperimenter og udvikling.

"Dette er et spørgsmål om, hvordan man bygger materialer, enten 'bottom-up' (syntese fra dets bestanddele) vs. 'top-down' (at tage noget større og skære det i størrelse), ” fortalte Hanke PhysOrg.com . "Bund og op i grafen-nanorribbons-tilgangen er meget interessant, da den giver os mulighed for at starte med den ultimative størrelsesgrænse for et materiale (et atom, eller, sige, et lille molekyle) og tilføj derefter kun de stykker, der virkelig er, virkelig tiltrængt. I øvrigt, det giver os også mulighed for at lave grafen nanobånd, der konsekvent har samme bredde på, sige, syv Ångstrøm (7x10 ^-10 m), simpelthen ved at sikre, at ingredienserne kun er polyanthracen og ikke noget meget større. Det lyder trivielt, men det er faktisk meget svært at opnå i top-down tilgange, især hvis atomær præcision ønskes."

Anvendelsen af ​​grafen nanobånd (og grafen selv) er stadig i de meget tidlige stadier, men deres egenskaber får materialerne til at se lovende ud. Tidligere undersøgelser har vist, at styring af bredder og kantstrukturer af grafen nanobånd kan justere båndets elektroniske egenskaber, hvilket kan føre til molekylær-baseret elektronik såsom transistorer. Ved at få en bedre forståelse af, hvordan grafen nanobånd vokser, herunder guldsubstratets katalytiske rolle og reaktionens dominoeffekt, videnskabsmænd har taget endnu et skridt mod denne fremtidige teknologi.

"Den vigtigste hype bag grafen nanobånd er, at du skal være i stand til at bruge dem til halvlederapplikationer, hvilket skyldes deres meget ønskværdige elektroniske struktur, der er forskellig fra den elektroniske struktur af grafen, sagde Hanke. "Det smukke ved grafen nanobånd er, at deres elektroniske respons er bestemt af deres form. Derfor, at kunne forstå og bygge grafen nanobånd på en kontrolleret måde er en meget vigtig proces for den fortsatte udvikling af elektronik. Især for anthracen-baserede nanobånd, vi har en bredde, der stadig er omkring 30 gange mindre, end hvad der er tilgængelig i nuværende halvlederbaseret elektronik. ”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.