Bygget nedefra og op, nanobånd baner vejen til on-off-tilstande for grafen

En ny måde at dyrke smalle bånd af grafen på, en let og stærk struktur af enkeltatom-tykke carbonatomer forbundet til sekskanter, kan afhjælpe en mangel, der har forhindret materialet i at opnå sit fulde potentiale i elektroniske ansøgninger. Grafen nanobånd, kun milliardtedele af en meter bred, udviser andre elektroniske egenskaber end todimensionelle ark af materialet.

"Indeslutning ændrer grafens adfærd, " sagde An-Ping Li, en fysiker ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Grafen i ark er en fremragende elektrisk leder, men indsnævring af grafen kan gøre materialet til en halvleder, hvis båndene er lavet med en bestemt kantform.

Tidligere bestræbelser på at lave grafen nanobånd brugte et metalsubstrat, der hindrede båndenes nyttige elektroniske egenskaber.

Nu, videnskabsmænd ved ORNL og North Carolina State University rapporterer i tidsskriftet Naturkommunikation at de er de første til at dyrke grafen nanobånd uden et metalsubstrat. I stedet, de injicerede ladningsbærere, der fremmer en kemisk reaktion, der omdanner en polymerprecursor til et grafen-nanobånd. På udvalgte steder, denne nye teknik kan skabe grænseflader mellem materialer med forskellige elektroniske egenskaber. Sådanne grænseflader er grundlaget for halvlederelektroniske enheder fra integrerede kredsløb og transistorer til lysemitterende dioder og solceller.

"Graphene er vidunderligt, men det har grænser " sagde Li. "I brede lagner, den har ikke et energigab – et energiområde i et fast stof, hvor ingen elektroniske tilstande kan eksistere. Det betyder, at du ikke kan tænde eller slukke for det."

Når en spænding påføres et ark grafen i en enhed, elektroner flyder frit, som de gør i metaller, stærkt begrænsende af grafens anvendelse i digital elektronik.

"Når grafen bliver meget smal, det skaber et energigab, " sagde Li. "Jo smallere båndet er, jo større er energigabet."

I meget smalle grafen nanobånd, med en bredde på en nanometer eller endnu mindre, hvordan strukturer ender ved kanten af ​​båndet er også vigtigt. For eksempel, skæring af grafen langs siden af ​​en sekskant skaber en kant, der ligner en lænestol; dette materiale kan fungere som en halvleder. Udskæring af trekanter fra grafen skaber en zigzag-kant - og et materiale med metallisk adfærd.

At dyrke grafen nanobånd med kontrolleret bredde og kantstruktur fra polymerprækursorer, tidligere forskere havde brugt et metalsubstrat til at katalysere en kemisk reaktion. Imidlertid, metalsubstratet undertrykker nyttige kanttilstande og krymper det ønskede båndgab.

Li og kolleger satte sig for at slippe af med dette besværlige metalsubstrat. På Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, de brugte spidsen af ​​et scanningstunnelmikroskop til at injicere enten negative ladningsbærere (elektroner) eller positive ladningsbærere ("huller") for at forsøge at udløse den centrale kemiske reaktion. De opdagede, at kun huller udløste det. De var efterfølgende i stand til at lave et bånd, der kun var syv kulstofatomer bredt - mindre end en nanometer bredt - med kanter i lænestolens konformation.

"Vi fandt ud af den grundlæggende mekanisme, det er, hvordan ladningsinjektion kan sænke reaktionsbarrieren for at fremme denne kemiske reaktion, "Sagde Li. Flytter spidsen langs polymerkæden, forskerne kunne vælge, hvor de udløste denne reaktion og konvertere en sekskant af grafengitteret ad gangen.

Næste, forskerne vil lave heterojunctions med forskellige forstadiemolekyler og udforske funktionaliteter. De er også ivrige efter at se, hvor længe elektroner kan rejse i disse bånd, før de spredes, og vil sammenligne det med et grafen nanobånd lavet på en anden måde og kendt for at lede elektroner ekstremt godt. Brug af elektroner som fotoner kunne danne grundlag for en ny elektronisk enhed, der kunne føre strøm med praktisk talt ingen modstand, selv ved stuetemperatur.

"Det er en måde at skræddersy fysiske egenskaber til energianvendelser, " sagde Li. "Dette er et glimrende eksempel på direkte skrivning. Du kan styre transformationsprocessen på molekylært eller atomært niveau." Plus, processen kunne skaleres op og automatiseres.

Titlen på det aktuelle papir er "Kontrollerbar konvertering af kvasi-fritstående polymerkæder til grafen nanobånd."