Med bånd af grafen, bredde betyder noget

Ved at bruge grafenbånd med ufatteligt små bredder - kun flere atomer på tværs - har en gruppe forskere ved University of Wisconsin-Milwaukee (UWM) fundet en ny måde at "tune" vidundermaterialet på, hvilket får den ekstremt effektive leder af elektricitet til at fungere som en halvleder.

I princippet, deres metode til at fremstille disse smalle bånd – i en bredde, der omtrent svarer til diameteren af ​​en streng af menneskeligt DNA – og manipulere båndenes elektriske ledningsevne kunne bruges til at producere nano-enheder.

grafen, et et-atom-tykt ark af kulstofatomer, er udråbt for sit høje potentiale til at give enheder på nanoskala og levere databehandling ved kvantehastighed. Men før det kan anvendes på nanoteknologi, forskere skal først finde en nem metode til at kontrollere strømmen af ​​elektroner for at kunne udtænke selv en simpel tænd-sluk-knap.

"Nano-bånd er modelsystemer til at studere effekter på nanoskala i grafen, men at opnå en båndbredde under 10 nanometer og karakterisere dens elektroniske tilstand er ret udfordrende, " siger Yaoyi Li, en UWM-fysik-postdoc-forsker og førsteforfatter til et papir offentliggjort den 2. juli i tidsskriftet Naturkommunikation .

Ved at afbilde båndene med scanning-tunneling mikroskopi, forskere har bekræftet, hvor smal båndbredden skal være for at ændre grafens elektriske egenskaber, gør det mere afstembart.

"Vi fandt ud af, at overgangen sker ved tre nanometer, og ændringerne er bratte, siger Michael Weinert, en UWM-teoretisk fysiker, der arbejdede på Department of Energy-støttet projekt med den eksperimentelle fysiker Lian Li. "Før denne undersøgelse, der var ingen eksperimentel bevis for, hvilken bredde starten af ​​disse adfærd er."

Holdet fandt også ud af, at jo smallere båndet bliver, jo mere "afstembare" materialets adfærd. De to kanter af et så smalt bånd er i stand til at interagere stærkt, i det væsentlige omdanner båndet til en halvleder med afstembare kvaliteter svarende til silicium.

Den første forhindring

Nuværende skæremetoder kan producere båndbredder på fem nanometer på tværs, stadig for bred til at opnå den indstillelige tilstand, siger Yaoyi Li. Ud over at producere smallere bånd, enhver ny strategi for skæring, de udtænkte, skulle også resultere i en lige justering af atomerne ved båndets kanter for at bevare de elektriske egenskaber, tilføjer han.

Så UWM-holdet brugte jernnanopartikler oven på grafen i et brintmiljø. Jern er en katalysator, der får brint- og kulstofatomer til at reagere, skabe en gas, der ætser en rende ind i grafenet. Skæringen udføres ved præcis styring af brinttrykket, siger Lian Li.

Jernnanopartiklerne bevæger sig tilfældigt hen over grafenen, producerer bånd af forskellige bredder – herunder nogle så tynde som en nanometer, han siger. Metoden producerer også kanter med korrekt afstemte atomer.

Der er en begrænsning for holdets skæremetode, og det har at gøre med, hvor kanterne er skåret. Atomerne i grafen er arrangeret på et bikagegitter, der, afhængigt af snitretningen producerer enten en "lænestolsformet" kant eller en "zigzag". Den halvledende adfærd, som forskerne observerede med deres ætsemetode, vil kun forekomme med et snit i zigzag-konfigurationen.

Manipulerer for funktion

Når der skæres, carbonatomerne ved kanterne af de resulterende bånd har kun to af de normale tre naboer, skabe en slags binding, der tiltrækker brintatomer og fastholder elektroner til kanterne af båndet. Hvis båndet er smalt nok, elektronerne på modsatte sider kan stadig interagere, skabe en halvledende elektrisk adfærd, siger Weinert.

Forskerne eksperimenterer nu med at mætte kanterne med ilt, frem for brint, at undersøge, om dette ændrer grafenens elektriske adfærd til et metals.

Tilføjelse af funktion til grafen nano-bånd gennem denne proces kunne muliggøre det eftertragtede mål med komponenter i atomare skala lavet af det samme materiale, men med forskellig elektrisk adfærd, siger Weinert.