En teknik til at skabe sub-10-nm grafen nanobånd fra knuste kulstof nanorør

Graphene nanoribbons (GNR'er) er smalle og lange strimler af grafen med bredder under 100 nm. GNR'er, der har glatte kanter, et stort båndgab og høj ladningsbærermobilitet kan være meget værdifuldt for en lang række elektroniske og optoelektroniske applikationer. Indtil nu, imidlertid, Ingeniører har endnu ikke introduceret en metode til at forberede disse nyttige komponenter i stor skala.

Forskere ved Shanghai Jiao Tong University, Stanford University, og andre institutter i USA og Kina, har for nylig udtænkt en ny strategi til at skabe GNR'er med glatte kanter, der er under 10 nm i bredden. Denne metode, introduceret i et papir udgivet i Naturelektronik , er baseret på brugen af ​​squashed carbon nano tubes (CNT'er), rør lavet af kulstof, der typisk har diametre i nanometerskalaen.

"Idéen bag vores arbejde er, at hvis kulstof nanorør (CNT'er) kan klemmes ind i GNR'er, vi ville være i stand til at producere smalle (under 5 nm brede) GNR'er fra CNT'er, der har små diametre, " Prof. Changxin Chen og Wendy L. Mao, to af de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalt Phys.org . "I øvrigt, GNR'erne fremstillet ved hjælp af denne metode vil være meget smallere end dem, der er opnået ved tidligere metoder."

Den nylige undersøgelse af prof. Chen, Mao, Prof. Hongjie Dai og deres kolleger var en fælles indsats mellem deres respektive forskningsgrupper ved Shanghai Jiao Tong University og Stanford University, med yderligere input fra andre institutioner. Et team ledet af Prof. Chen og Dai udviklede hovedsageligt metoden og processerne til højtryks-/termisk behandling for at squashe CNT'erne til GNR'er, samt om indsamling af karakteriseringer af de forberedte GNR'er, beregninger og målinger af enhedens ydeevne. Prof. Wendy Maos forskningsgruppe udførte højtryksdiamantamboltcelle (DAC) eksperimenter, hvorigennem CNT'erne blev klemt.

Et andet mål med dette nylige samarbejde var at opnå atomisk glatte kanter gennem hele GNR'erne, ved at danne kant-lukkede GNR'er, der udviste høj materiale- og enhedsmobilitet. For at producere deres under 10 nm brede og lange GNR'er med atomisk glatte lukkede kanter, forskerne knuste CNT'er sammen ved hjælp af højtryks- og termisk behandlingsmetoden, som Chen og hans team havde udtænkt.

"Vi brugte en DAC til højtryksbehandling af CNT'er, Chen og Mao forklarede. "CNT-prøverne blev forseglet i et prøvekammer i DAC'en og blev derefter komprimeret mellem spidserne af to diamantambolte. For at stabilisere den sammenklemte prøvestruktur, vi udførte en termisk behandling på prøven, mens den var under højt tryk."

GNR'erne skabt af Chen, Mao, Dai og deres kolleger har atomisk glatte, lukkede kanter og meget få fejl. Ved at bruge den metode, de udtænkte, holdet var endda i stand til at producere sub-5-nm GNR'er med en minimumsbredde på 1,4 nm. Bemærkelsesværdigt, de fandt ud af, at en felteffekttransistor (FET) baseret på en 2,8 nm bred kant-lukket GNR udviste en høj jeg _på / jeg _af forholdet> 10 ⁴ , felt-effekt mobilitet på 2, 443 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ og on-state kanal ledningsevne på 7,42 mS.

"Vores forskning beviser, at sub-10 nm brede halvledende grafen nanobånd med atomisk glatte lukkede kanter kan fremstilles ved at knuse kulstof nanorør ved hjælp af en kombineret højtryks- og termisk behandling, " sagde Chen og Mao. "Med denne tilgang, nanobånd så smalle som 1,4 nm kan oprettes. De kantåbnede nanobånd blev også fremstillet ved hjælp af salpetersyre som oxidationsmiddel til selektivt at ætse kanterne af de sammenklemte nanorør under højt tryk."

Undersøgelsen kan få vigtige konsekvenser for udviklingen af ​​nye elektroniske og optoelektroniske enheder. I fremtiden, metoden udtænkt af Chen, Mao, Dai og deres kolleger kunne bruges til at producere høj kvalitet, smal, og lange halvledende GNR'er.

Ud over, deres fabrikationsstrategi giver ingeniører mulighed for at kontrollere en GNR's kanttyper. Dette kunne hjælpe med at udforske de grundlæggende egenskaber og praktiske anvendelser af GNR'er i elektronik og optoelektronik yderligere. Ultimativt, metoden udviklet af Chen, Mao, Dai and their colleagues could also be adapted to also synthesize other desirable materials-based nanoribbons using squashed nanotubes or to flatten other fullerene materials.

"Now that we have demonstrated the potential of our approach, we are investigating ways to make the synthesis conditions more practical and ways to scale up the synthesis of GNRs (e.g., decreasing the pressure needed for squashing CNTs by regulating the temperature of the sample in the high-pressure treatment or introducing additional deviatoric-stress component in the pressure), " Chen and Mao added. "In our next studies, we also plan to explore more unique characteristics of the edge-closed GNRs we created."

© 2021 Science X Network