Nanowiggles:Forskere opdager grafen nanomaterialer med justerbar funktionalitet i elektronik

Elektronik bliver mindre og mindre, flirte med nye enheder i atomskala. Imidlertid, mange videnskabsmænd forudsiger, at krympningen af ​​vores teknologi er ved at nå en ende. Uden et alternativ til siliciumbaserede teknologier, miniaturiseringen af ​​vores elektronik vil stoppe. Et lovende alternativ er grafen - det tyndeste materiale, man kender til. Ren grafen er ikke en halvleder, men det kan ændres til at vise exceptionel elektrisk adfærd. At finde de bedste grafenbaserede nanomaterialer kan indlede en ny æra af nanoelektronik, optik, og spintronics (en ny teknologi, der bruger elektronernes spin til at lagre og behandle information i usædvanlig lille elektronik).

Forskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har brugt mulighederne i en af ​​verdens mest kraftfulde universitetsbaserede supercomputere, Rensselaer Center for Nanoteknologi Innovationer (CCNI), at afdække egenskaberne af en lovende form for grafen, kendt som graphene nanowiggles. Hvad de fandt var, at grafitiske nanobånd kan segmenteres i flere forskellige overfladestrukturer kaldet nanowiggles. Hver af disse strukturer producerer meget forskellige magnetiske og ledende egenskaber. Resultaterne giver en plan, som videnskabsmænd kan bruge til bogstaveligt talt at vælge og vrage en grafen nanostruktur, der er indstillet og tilpasset til en anden opgave eller enhed. Arbejdet giver et vigtigt vidensgrundlag om disse yderst nyttige nanomaterialer.

Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve i et papir med titlen "Fremkomsten af ​​atypiske ejendomme i sammensatte grafen -nanoribber."

"Graphene nanomaterialer har masser af gode egenskaber, men til dato har det været meget vanskeligt at bygge fejlfri grafen nanostrukturer. Så disse svære at reproducere nanostrukturer skabte en næsten uoverstigelig barriere mellem innovation og markedet, " sagde Vincent Meunier, Gail og Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation professor i fysik, Informationsteknologi, og Entreprenørskab hos Rensselaer. "Fordelen ved graphene nanowiggles er, at de nemt og hurtigt kan fremstilles meget lange og rene." Nanowiggles blev først for nylig opdaget af en gruppe ledet af forskere ved EMPA, Schweiz. Disse særlige nanoribbons dannes ved hjælp af en bottom-up tilgang, da de er kemisk samlet atom for atom. Dette repræsenterer en meget anderledes tilgang til standard grafen materiale designproces, der tager et eksisterende materiale og forsøger at skære det ind i en ny struktur. Processen skaber ofte et materiale, der ikke er helt lige, men har små zigzagger på kanterne.

Meunier og hans forskerhold så potentialet i dette nye materiale. Nanowiggles kan let fremstilles og modificeres for at vise usædvanlige elektriske ledende egenskaber. Meunier og hans team gik straks i gang med at dissekere nanowigglene for bedre at forstå mulige fremtidige applikationer.

"Det, vi fandt i vores analyse af nanowiggles egenskaber, var endnu mere overraskende end tidligere antaget, " sagde Meunier.

Forskerne brugte computeranalyse til at studere flere forskellige nanowiggle-strukturer. Strukturerne er navngivet baseret på formen på deres kanter og inkluderer lænestol, lænestol/zigzag, zigzag, og zigzag/lænestol. Alle strukturerne med nanobåndskanter har et vridende udseende som en larve, der går hen over et blad. Meunier navngav de fire strukturer nanowiggles og hver wiggle producerede usædvanligt forskellige egenskaber.

De fandt ud af, at de forskellige nanowiggles producerede meget varierede båndgab. Et båndgab bestemmer niveauerne for elektrisk ledningsevne af et fast materiale. De fandt også, at forskellige nanowiggles udviste op til fem meget forskellige magnetiske egenskaber. Med denne viden, forskere vil være i stand til at justere båndgabet og magnetiske egenskaber af en nanostruktur baseret på deres anvendelse, ifølge Meunier.

Meunier vil gerne have forskningen til at informere om designet af nye og bedre enheder. "Vi har skabt en køreplan, der gør det muligt let at bygge og tilpasse nanomaterialer til applikationer fra fotovoltaik til halvledere og, vigtigt, spintronics, " han sagde.

Ved at bruge CCNI, Meunier var i stand til at gennemføre disse sofistikerede beregninger på få måneder.

"Uden CCNI, disse beregninger ville stadig fortsætte et år senere, og vi ville endnu ikke have gjort denne spændende opdagelse. Denne forskning er tydeligvis et glimrende eksempel, der illustrerer CCNI's nøglerolle i forudsigelig fundamental videnskab, " han sagde.