Nedefra og op:Manipulering af nanobånd på molekylært niveau

Smalle strimler af grafen kaldet nanobånd udviser ekstraordinære egenskaber, der gør dem til vigtige kandidater til fremtidige nanoelektroniske teknologier. En barriere for at udnytte dem, imidlertid, er vanskeligheden ved at kontrollere deres form på atomskalaen, en forudsætning for mange mulige anvendelser.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California, Berkeley, har udviklet en ny præcisionstilgang til syntetisering af grafen nanobånd fra prædesignede molekylære byggesten. Ved hjælp af denne proces har forskerne bygget nanobånd, der har forbedrede egenskaber - såsom positionsafhængige, afstembare båndgab - som potentielt er meget nyttige til næste generations elektroniske kredsløb.

Resultaterne vises i et papir med titlen "Molecular bandgap engineering of bottom-up syntetiserede grafen nanoribbon heterojunctions, " offentliggjort i Natur nanoteknologi .

"Dette arbejde repræsenterer fremskridt hen imod målet om kontrollerbart at samle molekyler til de former, vi ønsker, " siger Mike Crommie, seniorforsker ved Berkeley Lab, professor ved UC Berkeley, og leder af undersøgelsen. "For første gang har vi skabt et molekylært nanobånd, hvor bredden ændrer præcis, hvordan vi har designet det til."

Nanobånd fortid og nutid

Tidligere, videnskabsmænd lavede nanobånd, der har en konstant bredde hele vejen igennem. "Det giver en flot ledning eller et simpelt skifteelement, " siger Crommie, "men det giver ikke megen funktionalitet. Vi ville se, om vi kunne ændre bredden inden for et enkelt nanobånd, kontrollerer strukturen inde i nanobåndet på atomær skala for at give det ny adfærd, der er potentielt nyttig."

Felix Fischer, Professor i kemi ved UC Berkeley, der i fællesskab ledede undersøgelsen, designet de molekylære komponenter for at finde ud af, om dette ville være muligt. Sammen, Fischer og Crommie opdagede, at molekyler med forskellige bredder faktisk kan fås til at binde kemisk, således at bredden moduleres langs længden af ​​et enkelt resulterende nanobånd.

"Tænk på molekylerne som legoklodser af forskellig størrelse, " forklarer Fischer. Hver blok har en bestemt defineret struktur, og når de stykkes sammen resulterer de i en bestemt form for hele nanobåndet. "Vi vil se, om vi kan forstå de eksotiske egenskaber, der opstår, når vi samler disse molekylære strukturer, og for at se, om vi kan udnytte dem til at bygge nye funktionelle enheder."

Indtil nu, nanobåndsyntese har for det meste involveret ætsning af bånd ud af større 2D-ark af grafen. Problemet, ifølge Fischer, er, at dette mangler præcision, og hvert resulterende nanobånd har en unik, lidt tilfældig struktur. En anden metode har været at udpakke nanorør for at give nanobånd. Dette giver glattere kanter end "top-down" ætsningsteknikken, men det er svært at kontrollere, fordi nanorør har forskellige bredder og chiraliteter.

En tredje rute, opdaget af Roman Fasel fra Swiss Federal Laboratories for Materials Science &Technology sammen med sine kolleger, involverer at placere molekyler på en metaloverflade og kemisk smelte dem sammen for at danne perfekt ensartede nanobånd. Crommie og Fischer modificerede denne sidste tilgang og har vist, at hvis formerne af de konstituerende molekyler varieres, så er formen af ​​det resulterende nanobånd også det.

"Det, vi har gjort, som er nyt, er at vise, at det er muligt at skabe atomisk præcise nanobånd med uensartet form ved at ændre formerne på de molekylære byggesten, " siger Crommie.

Styring af kvanteegenskaber

Elektroner i nanobåndene opsætter kvantemekaniske stående bølgemønstre, der bestemmer nanobåndets elektroniske egenskaber, såsom dens "båndgap". Dette bestemmer energien i, hvordan elektroner bevæger sig gennem et nanobånd, herunder hvilke regioner de akkumulerer i, og hvilke regioner de undgår.

I fortiden, videnskabsmænd konstruerede rumligt båndgabet af mikron-skala enheder gennem doping, tilsætning af urenheder til et materiale. For de mindre nanobånd, imidlertid, det er muligt at ændre båndgabet ved at ændre deres bredde i sub-nanometer intervaller, en proces, som Crommie og Fischer har døbt "molekylær bandgap engineering". Denne form for teknik giver forskerne mulighed for at skræddersy de kvantemekaniske egenskaber af nanobånd, så de kan bruges fleksibelt til fremtidige nanoelektroniske enheder.

For at teste deres molekylære bandgap engineering, Crommies gruppe brugte scanning tunneling microscopy (STM), en teknik, der rumligt kan kortlægge elektronernes adfærd inde i et enkelt nanobånd. "Vi havde brug for at kende formen på atomskalaen af ​​nanobåndene, og vi havde også brug for at vide, hvordan elektronerne indeni tilpasser sig den form, " siger Crommie. UC Berkeley professor i fysik Steven Louie og hans studerende Ting Cao beregnede den elektroniske struktur af nanbåndene for at kunne fortolke STM-billederne korrekt. Dette "lukkede løkken" mellem design af nanobånd, fremstilling, og karakterisering.

Nye retninger mod nye enheder

Et stort spørgsmål i dette arbejde er, hvordan man bedst bygger nyttige enheder ud fra disse små molekylære strukturer. Mens holdet har vist, hvordan man fremstiller breddevarierende nanobånd, den har endnu ikke indarbejdet dem i egentlige elektroniske kredsløb. Crommie og Fischer håber at kunne bruge denne nye type nanobånd til til sidst at skabe nye enhedselementer - såsom dioder, transistorer, og LED'er - der er mindre og kraftigere end dem, der bruges i øjeblikket. I sidste ende håber de at inkorporere nanobånd i komplekse kredsløb, der giver bedre ydeevne end nutidens computerchips. Til dette formål samarbejder de med UC Berkeleys elektriske ingeniører såsom Jeffrey Bokor og Sayeef Salahuddin.

Den nødvendige rumlige præcision eksisterer allerede:holdet kan modulere nanobåndbredden fra 0,7 nm til 1,4 nm, skabe knudepunkter, hvor smalle nanobånd smelter sammen til bredere. "Ved at variere bredden med en faktor på to giver os mulighed for at modulere båndgabet med mere end 1eV, " siger Fischer. Til mange applikationer er dette tilstrækkeligt til at bygge nyttige enheder.

Selvom de potentielle applikationer er spændende, Crommie påpeger, at en central motivation for forskningen er ønsket om at besvare grundlæggende videnskabelige spørgsmål som, hvordan nanobånd med uensartet bredde faktisk opfører sig. "Vi satte os for at besvare et interessant spørgsmål, og vi svarede det, " slutter han.