Forskere producerer grafen nanobånd med perfekte zigzag-kanter fra molekyler

Som rapporteret af bladet Natur i sit seneste nummer, forskere fra Empa, Max Planck Instituttet i Mainz og det tekniske universitet i Dresden er for første gang lykkedes med at fremstille grafen nanobånd med perfekte zigzag-kanter fra molekyler. Elektroner på disse zigzag-kanter udviser forskellige (og koblede) rotationsretninger ("spin"). Dette kunne gøre grafen nanobånd til det foretrukne materiale til fremtidens elektronik, såkaldt spintronik.

I takt med at elektroniske komponenter bliver stadig mindre, industrien nærmer sig gradvist grænserne for, hvad der kan opnås ved hjælp af den traditionelle tilgang med silicium som halvledermateriale. grafen, materialet med en række "mirakuløse" egenskaber, betragtes som en mulig erstatning. Den tynde kulstoffilm med ét atom er ultralet, ekstremt fleksibel og meget ledende. Imidlertid, for at kunne bruge grafen til elektroniske komponenter såsom felteffekttransistorer, materialet skal "omdannes" til en halvleder. Dette blev opnået af Empa-forskere for noget tid siden ved hjælp af en nyudviklet metode - i 2010, de præsenterede, for første gang, grafen nanobånd (GNR) kun få nanometer brede med præcist formede kanter. For det, båndene blev dyrket på en metaloverflade fra specifikt designede precursor-molekyler. Jo smallere båndene, jo større deres elektroniske båndgab - dvs. energiområdet, hvor ingen elektroner kan befinde sig, som er ansvarlig for at sikre, at en elektronisk afbryder (f.eks. en transistor) kan tændes og slukkes. Empa-forskerne var da også i stand til at "dope" nanobåndene, at forsyne båndene med urenhedsatomer såsom nitrogen på visse punkter, for endnu mere at påvirke grafenbåndenes elektroniske egenskaber.

Den perfekte plan

I det blad, der nu er udgivet i Natur , Empa-teamet ledet af Roman Fasel rapporterer, sammen med kolleger fra Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz, ledet af Klaus Müllen, og fra det tekniske universitet i Dresden ledet af Xinliang Feng, hvordan det lykkedes at syntetisere GNR med perfekt zigzaggede kanter ved hjælp af passende kulstofprækursormolekyler og en perfektioneret fremstillingsproces. Zickzagerne fulgte en meget specifik geometri langs båndens længdeakse. Dette er et vigtigt skridt, fordi forskere dermed kan give grafenbånd forskellige egenskaber via båndnes geometri og især via strukturen af ​​deres kanter.

Ligesom med gulvfliser, de rigtige fliser - eller forløbermolekyler - til syntesen på overfladen skulle først findes for det specifikke mønster af zigzaggrafenbåndene. I modsætning til organisk kemi, som tager højde for forekomsten af ​​biprodukter på vejen til at opnå et rent stof, alt skulle designes til overfladesyntesen af ​​grafenbåndene, så der kun blev produceret et enkelt produkt. Forskerne skiftede gentagne gange frem og tilbage mellem computersimuleringer og eksperimenter, for at designe den bedst mulige syntese. Med molekyler i en U-form, som de lod vokse sammen til en slangelignende form, og yderligere methylgrupper, som fuldendte zigzag-kanterne, forskerne var i stand til endelig at skabe en "blueprint" for GNR med perfekte zigzag-kanter. For at kontrollere, at zigzag-kanterne var nøjagtige ned til atomet, forskerne undersøgte atomstrukturen ved hjælp af et atomkraftmikroskop (AFM). Ud over, de var i stand til at karakterisere de elektroniske tilstande af zigzag-kanterne ved hjælp af scanning tunneling spectroscopy (STS).

Brug af elektronernes indre spin

Og disse viser en meget lovende funktion. Elektroner kan dreje enten til venstre eller til højre, som omtales som elektronernes indre spin. Det særlige ved zigzag GNR er, at langs hver kant, elektronerne spinder alle i samme retning; en effekt, der omtales som ferromagnetisk kobling. På samme tid, den såkaldte antiferromagnetiske kobling sikrer, at elektronerne på den anden kant alle drejer i den modsatte retning. Så elektronerne på den ene side har alle en "spin-up"-tilstand og på den anden kant har de alle en "spin-down"-tilstand.

Dermed, to uafhængige spin-kanaler med modsatte "bevægelsesretninger" opstår på båndets kanter, som en vej med adskilte kørebaner. Via bevidst integrerede strukturelle defekter på kanterne eller - mere elegant - via levering af en elektrisk, magnetisk eller optisk signal udefra, Der kan således designes spin-barrierer og spin-filtre, der kun kræver energi for at kunne tændes og slukkes - forløberen for en nanoskala og desuden ekstremt energieffektiv transistor.

Muligheder som dette gør GNR ekstremt interessant for spintroniske enheder; disse bruger både elektronernes ladning og spin. Denne kombination får forskere til at forudsige helt nye komponenter, f.eks. adresserbare magnetiske datalagringsenheder, som bevarer den information, der er blevet indført, selv efter strømmen er blevet slukket.