Bidefejl afsløret i grafen nanobånd fra nedefra og op

Grafen nanobånd (GNR'er), smalle strimler af enkeltlags grafen, har interessant fysisk, elektriske, termisk, og optiske egenskaber på grund af samspillet mellem deres krystal- og elektroniske strukturer. Disse nye egenskaber har skubbet dem til forkant i søgen efter måder at fremme næste generations nanoteknologier.

Mens bottom-up fremstillingsteknikker nu tillader syntesen af ​​en bred vifte af grafen nanobånd, der har veldefinerede kantgeometrier, bredder, og heteroatominkorporeringer, spørgsmålet om hvorvidt strukturel uorden er til stede i disse atomisk præcise GNR'er, og i hvilket omfang, er stadig til debat. Svaret på denne gåde er af afgørende betydning for alle potentielle applikationer eller resulterende enheder.

Samarbejde mellem Oleg Yazyevs Chair of Computational Condensed Matter Physics teorigruppe ved EPFL og Roman Fasels eksperimentelle nanotech@surfaces Laboratory på Empa har produceret to artikler, der ser på dette problem i lænestol-kantede og zigzag-kantede grafen nanobånd.

"Ufuldkommenheder er kendt for at spille en vigtig rolle i udformningen af ​​en række funktionaliteter i krystaller, " sagde Michele Pizzochero, tidligere ph.d. studerende i laboratoriet hos Oleg Yazyev ved EPFL og nu post-doc forsker ved Harvard University. "I disse papirer, vi har afsløret allestedsnærværende 'biddefekter', nemlig manglende grupper af kulstofatomer, som hovedtypen af ​​strukturel lidelse i grafen nanobånd fremstillet via syntese på overfladen. Selvom vi fandt ud af, at biddefekter forringer ydeevnen af ​​elektroniske enheder baseret på grafen nanobånd, i nogle tilfælde kan disse ufuldkommenheder give spændende muligheder for spintroniske applikationer takket være deres ejendommelige magnetiske egenskaber."

Lænestol grafen nanobånd

Papiret "Quantum elektronisk transport på tværs af "bid" defekter i grafen nanobånd, " for nylig offentliggjort i 2D materialer , ser specifikt på 9-atom brede lænestolsgrafen nanobånd (9-AGNR'er). Den mekaniske robusthed, langsigtet stabilitet under omgivende forhold, nem overførsel til målsubstrater, skalerbarhed af fremstilling, og passende båndgab-bredde af disse GNR'er har gjort dem til en af ​​de mest lovende kandidater til integration som aktive kanaler i felteffekttransistorer (FET'er). Ja, blandt de grafenbaserede elektroniske enheder, der er realiseret hidtil, 9-AGNR-FET'er viser den højeste ydeevne.

Mens den skadelige rolle af defekter på elektroniske enheder er velkendt, Schottky barrierer, potentielle energibarrierer for elektroner dannet ved metal-halvlederforbindelser, både begrænser ydeevnen af ​​nuværende GNR-FET'er og forhindrer eksperimentel karakterisering af virkningen af ​​defekter på enhedens ydeevne. I den 2D materialer papir, forskerne kombinerer eksperimentelle og teoretiske tilgange til at undersøge defekter i bottom-up AGNR'er.

Scanning-tunneling og atomkraftmikroskoper gjorde det først muligt for forskerne at identificere manglende benzenringe ved kanterne som en meget almindelig defekt i 9-AGNR og at estimere både tætheden og den rumlige fordeling af disse ufuldkommenheder, som de har døbt "biddefekter". De kvantificerede tætheden og fandt ud af, at de har en stærk tendens til at aggregere. Forskerne brugte derefter beregninger med de første principper til at udforske effekten af ​​sådanne defekter på kvanteladningstransport, konstaterer, at disse ufuldkommenheder væsentligt forstyrrer det ved båndkanterne ved at reducere konduktansen.

Disse teoretiske resultater generaliseres derefter til bredere nanobånd på en systematisk måde, giver forskerne mulighed for at etablere praktiske retningslinjer for at minimere den skadelige rolle, som disse defekter spiller på ladningstransport, et instrumentelt skridt hen imod realiseringen af ​​nye kulstofbaserede elektroniske enheder.

Zigzag grafen nanobånd

I papiret "Edge disorder in bottom-up zigzag graphene nanoribbons:implikationer for magnetisme og kvanteelektronisk transport, " for nylig offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters , det samme team af forskere kombinerer scanning probe mikroskopi eksperimenter og første-princippet beregninger for at undersøge strukturel uorden og dens effekt på magnetisme og elektronisk transport i såkaldte bottom-up zigzag GNR'er (ZGNR'er).

ZGNR'er er unikke på grund af deres ukonventionelle metalfri magnetiske rækkefølge, der, ifølge forudsigelser, opbevares op til stuetemperatur. De besidder magnetiske momenter, der er koblet ferromagnetisk langs kanten og antiferromagnetisk hen over den, og det har vist sig, at de elektroniske og magnetiske strukturer i høj grad kan moduleres ved, for eksempel, anklage doping, elektriske felter, gitterdeformationer, eller defekt ingeniørarbejde. Kombinationen af ​​afstembare magnetiske korrelationer, betydelig båndgab-bredde og svage spin-orbit-interaktioner har gjort disse GNR'er til lovende kandidater til spin-logiske operationer. Undersøgelsen ser specifikt på seks-carbon zigzag linjer brede grafen nanobånd (6-ZGNR'er), den eneste bredde af ZGNR'er, der hidtil er blevet opnået med en bottom-up tilgang.

Igen ved hjælp af scanning-tunneling og atomkraftmikroskopier, forskerne identificerer først tilstedeværelsen af ​​allestedsnærværende kulstoftomgangsdefekter placeret ved kanterne af nanobåndene og løser derefter deres atomare struktur. Deres resultater indikerer, at hver ledig stilling omfatter en manglende m-xylen enhed, det er, endnu en "bid" defekt, hvilken, som med dem, der ses i AGNR'er, kommer fra spaltningen af ​​C-C-bindingen, der opstår under cyclodehydrogeneringsprocessen af ​​reaktionen. Forskere vurderer tætheden af ​​"bid"-defekter i 6-ZGNR'erne til at være større end den for de tilsvarende defekter i bottom-up AGNR'er.

Effekten af ​​disse biddefekter på den elektroniske struktur og kvantetransportegenskaber af 6-ZGNR'er undersøges igen teoretisk. De finder, at introduktionen af ​​defekten, på samme måde som AGNR'er, forårsager en væsentlig forstyrrelse af ledningsevnen. Desuden, i denne nanostruktur, disse utilsigtede defekter inducerer subgitter- og spinubalance, forårsager et lokalt magnetisk øjeblik. Det her, på tur, giver anledning til spin-polariseret ladningstransport, der gør defekte zigzag nanorribbons optimalt egnede til applikationer i all-carbon logik spintronics i den ultimative grænse for skalerbarhed.

En sammenligning mellem ZGNR'er og AGNR'er af samme bredde viser, at transport på tværs af førstnævnte er mindre følsom over for introduktionen af ​​både enkelte og multiple defekter end i sidstnævnte. Samlet set, forskningen giver et globalt billede af indvirkningen af ​​disse allestedsnærværende "biddefekter" på den elektroniske struktur med lavt energiforbrug af grafen nanobånd fra nede og op. Fremtidig forskning kan fokusere på undersøgelse af andre typer punktdefekter, der eksperimentelt observeres ved kanterne af sådanne nanobånd, sagde forskerne.