Elektronisk tilsluttede grafen nanobånd forudser højhastighedselektronik

Et internationalt forskerhold ved Tohoku University's Advanced Institute of Materials Research (AIMR) lykkedes med kemisk at forbinde chiral-edge graphene nanoribbons (GNR'er) med zigzag-edge funktioner ved molekylær samling, og demonstreret elektronisk forbindelse mellem GNR'er. GNR'erne var udelukkende forbundet fra ende til anden, danner albuestrukturer, identificeret som sammenkoblingspunkter (fig. 1a).

Denne konfiguration gjorde det muligt for forskere at påvise, at den elektroniske arkitektur ved sammenkoblingspunkterne mellem to GNR'er (fig. 1b) er den samme som langs enkelte GNR'er; bevis for, at GNR elektroniske egenskaber, såsom elektron- og varmeledningsevner, er direkte forlænget gennem albuestrukturerne ved kemisk GNR-sammenkobling.

Dette arbejde viser, at fremtidig udvikling af højtydende, elektronik med lavt strømforbrug baseret på GNR'er er muligt.

Grafen har længe været forventet at revolutionere elektronik, forudsat at det kan skæres i atomært præcise former, der er forbundet til ønskede elektroder. Imidlertid, mens nuværende bottom-up fremstillingsmetoder kan kontrollere grafens elektroniske egenskaber, såsom høj elektronmobilitet, skræddersyede båndspalter og s pin-justerede zigzag-kanter, forbindelsesaspektet af grafenstrukturer er aldrig blevet direkte udforsket. For eksempel, hvorvidt elektroner, der rejser hen over sammenkoblingspunkterne af to GNR'er, vil støde på højere elektrisk modstand, er stadig et åbent spørgsmål. Da svarene på denne type spørgsmål er afgørende for realiseringen af ​​fremtidens højhastighed, elektronik med lavt strømforbrug, vi bruger molekylær samling til at løse dette problem her.

"Nuværende molekylære samlinger producerer enten lige GNR'er (dvs. uden identificerbare sammenkoblingspunkter), eller tilfældigt forbundne GNR'er, " siger Dr. Patrick Han, projektlederen. "Disse væksttilstande har for mange iboende ubekendte til at bestemme, om elektroner bevæger sig på tværs af grafenforbindelsespunkter glat. Nøglen er at designe en molekylær samling, der producerer GNR'er, der systematisk er forbundet med klart skelnelige sammenkoblingspunkter."

For at nå dette mål, AIMR-holdet brugte et Cu-substrat, hvis reaktivitet begrænser GNR-væksten til seks retninger, og brugte scanning tunneling mikroskopi (STM) til at visualisere GNR elektroniske strukturer. Ved at kontrollere precursorens molekylære dækning, denne molekylære samling forbinder GNR'er fra forskellige vækstretninger systematisk ende til ende, producerer albuestrukturer - identificeret som sammenkoblingspunkter (fig. 1a). Ved hjælp af STM, AIMR-holdet afslørede, at delokaliseringen af ​​de indbyrdes forbundne GNR π*-stater strækker sig på samme måde både over en enkelt lige GNR, og på tværs af sammenkoblingspunktet for to GNR'er (periodiske træk i fig. 1b, bundpanel). Dette resultat indikerer, at GNR elektroniske egenskaber, såsom elektron- og varmeledningsevner, bør være den samme ved enden af ​​enkelte GNR'er og den af ​​to forbundne GNR'er.

"Det vigtigste resultat af dette arbejde er, at indbyrdes forbundne GNR'er ikke viser elektronisk forstyrrelse (f.eks. elektronlokalisering, der øger modstanden ved sammenkoblingspunkterne), " siger Han. "Den elektronisk glatte sammenkobling viser, at GNR-egenskaber (inklusive skræddersyede båndgab, eller endda spin-alignede zigzag-kanter) kan forbindes med andre grafenstrukturer. Disse resultater viser, at det at finde en måde at forbinde fejlfri GNR'er til ønskede elektroder kan være nøglestrategien for at opnå høj ydeevne, elektronik med lavt strømforbrug."