Syntese på overfladen af ​​grafen nanobånd kunne fremme kvanteenheder

Et internationalt team af videnskabsmænd med flere institutioner har syntetiseret grafen nanobånd - ultrahinde strimler af kulstofatomer - på en titaniumdioxidoverflade ved hjælp af en atomisk præcis metode, der fjerner en barriere for specialdesignede kulstofnanostrukturer, der kræves til kvanteinformationsvidenskab.

Grafen er sammensat af enkeltatom-tykke lag af kulstof, der modtager ultralet, ledende og ekstremt stærke mekaniske egenskaber. Det populært studerede materiale lover at transformere elektronik og informationsvidenskab på grund af dets meget afstembare elektroniske, optiske og transportegenskaber.

Når de formes til nanobånd, grafen kunne anvendes i nanoskalaenheder; imidlertid, manglen på præcision i atomær skala ved at bruge de nuværende avancerede "top-down" syntetiske metoder – skæring af et grafenark i atomsmale strimler – stymme grafenens praktiske anvendelse.

Forskere udviklede en "bottom-up" tilgang - ved at bygge grafen nanobåndet direkte på atomniveau på en måde, så det kan bruges i specifikke applikationer, som blev udtænkt og realiseret på Center for Nanophase Materials Sciences, eller CNMS, placeret ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

Denne absolutte præcisionsmetode hjalp med at bevare de værdsatte egenskaber af grafen-monolag, efterhånden som segmenterne af grafen blev mindre og mindre. Kun et eller to atomers forskel i bredden kan ændre systemets egenskaber dramatisk, at forvandle et halvledende bånd til et metallisk bånd. Holdets resultater blev beskrevet i Videnskab .

ORNLs Marek Kolmer, An-Ping Li og Wonhee Ko fra CNMS' Scanning Tunneling Microscopy-gruppe samarbejdede om projektet med forskere fra Espeem, en privat forskningsvirksomhed, og flere europæiske institutioner:Friedrich Alexander Universitet Erlangen-Nürnberg, Jagiellonian University og Martin Luther University Halle-Wittenberg.

ORNLs enestående ekspertise inden for scanning tunneling mikroskopi var afgørende for holdets succes, både ved at manipulere prækursormaterialet og verificere resultaterne.

"Disse mikroskoper giver dig mulighed for direkte at afbilde og manipulere stof på atomskalaen, "Kolmer, en postdoc og hovedforfatter af papiret, sagde. "Spidsen af ​​nålen er så fin, at den i det væsentlige er på størrelse med et enkelt atom. Mikroskopet bevæger sig linje for linje og måler konstant samspillet mellem nålen og overfladen og giver et atomisk præcist kort over overfladestrukturen."

I tidligere eksperimenter med grafen nanobånd, materialet blev syntetiseret på et metallisk substrat, som uundgåeligt undertrykker nanobåndenes elektroniske egenskaber.

"At få de elektroniske egenskaber af disse bånd til at fungere som designet er hele historien. Fra et anvendelsessynspunkt, at bruge et metalsubstrat er ikke nyttigt, fordi det screener egenskaberne, " sagde Kolmer. "Det er en stor udfordring på dette område - hvordan afkobler vi effektivt netværket af molekyler for at overføre til en transistor?"

Den nuværende afkoblingstilgang involverer at fjerne systemet fra de ultrahøje vakuumforhold og sætte det igennem en flertrins vådkemiproces, hvilket kræver, at metalsubstratet ætses væk. Denne proces er i modstrid med den omhyggelige, ren præcision brugt til at skabe systemet.

For at finde en proces, der ville fungere på et ikke-metallisk substrat, Kolmer begyndte at eksperimentere med oxidoverflader, efterligner de strategier, der bruges på metal. Til sidst, han henvendte sig til en gruppe europæiske kemikere, der specialiserer sig i fluoroarenkemi, og begyndte at tænke på et design til en kemisk forløber, der ville muliggøre syntese direkte på overfladen af ​​rutil titaniumdioxid.

"Syntese på overfladen giver os mulighed for at fremstille materialer med meget høj præcision og opnå det, vi startede med molekylære forstadier, "Li, en senior forfatter af papiret, der ledede holdet på CNMS, sagde. "De reaktioner, vi havde brug for for at opnå visse egenskaber, er i det væsentlige programmeret ind i forstadiet. Vi kender den temperatur, ved hvilken en reaktion vil forekomme, og ved at indstille temperaturerne kan vi kontrollere reaktionssekvensen."

"En anden fordel ved syntese på overfladen er den brede pulje af kandidatmaterialer, der kan bruges som forløbere, giver mulighed for et højt niveau af programmerbarhed, " tilføjede Li.

Den præcise anvendelse af kemikalier til at afkoble systemet hjalp også med at opretholde en åben skalstruktur, giver forskere adgang på atomniveau til at bygge videre på og studere molekyler med unikke kvanteegenskaber. "Det var særligt givende at opdage, at disse grafenbånd har koblet magnetiske tilstande, også kaldet kvante spin tilstande, i deres ender, " sagde Li. "Disse stater giver os en platform til at studere magnetiske interaktioner, med håbet om at skabe qubits til applikationer inden for kvanteinformationsvidenskab." Da der er ringe forstyrrelse af magnetiske interaktioner i kulstofbaserede molekylære materialer, denne metode gør det muligt at programmere langvarige magnetiske tilstande inde fra materialet.

Deres tilgang skaber et højpræcisionsbånd, afkoblet fra underlaget, hvilket er ønskeligt til spintroniske og kvanteinformationsvidenskabelige applikationer. Det resulterende system er ideelt egnet til at blive udforsket og bygget videre på, muligvis som en nanoskala transistor, da den har et bredt båndgab, på tværs af mellemrummet mellem elektroniske tilstande, der er nødvendigt for at formidle et tænd/sluk-signal.