Ny teknik tuner ind på grafen nanobånds elektroniske potentiale

Lige siden grafen - et tyndt kulstofark, der kun er et atom tykt - blev opdaget for mere end 15 år siden, blev vidundermaterialet en arbejdshest i materialevidenskabelig forskning. Fra dette arbejde lærte andre forskere, at skæring af grafen langs kanten af ​​dets honeycomb-gitter skaber endimensionelle zigzag-grafenstrimler eller nanobånd med eksotiske magnetiske egenskaber.

Mange forskere har forsøgt at udnytte nanobånds usædvanlige magnetiske adfærd til kulstofbaserede, spintronics-enheder, der muliggør højhastigheds-, lav-effekt datalagring og informationsbehandlingsteknologier ved at kode data gennem elektronspin i stedet for ladning. Men fordi zigzag nanobånd er meget reaktive, har forskere kæmpet med, hvordan de kan observere og kanalisere deres eksotiske egenskaber til en virkelig enhed.

Nu, som rapporteret i udgaven af ​​22. december af tidsskriftet Nature , har forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og UC Berkeley udviklet en metode til at stabilisere kanterne af grafen nanobånd og direkte måle deres unikke magnetiske egenskaber.

Holdet ledet af Felix Fischer og Steven Louie, begge fakultetsforskere i Berkeley Labs Materials Sciences Division, fandt ud af, at ved at erstatte nogle af kulstofatomerne langs båndets zigzag-kanter med nitrogenatomer, kunne de diskret tune den lokale elektroniske struktur uden at forstyrre de magnetiske egenskaber. Denne subtile strukturelle ændring muliggjorde yderligere udviklingen af ​​en scanningsprobemikroskopiteknik til måling af materialets lokale magnetisme på atomær skala.

"Tidligere forsøg på at stabilisere zigzag-kanten ændrede uundgåeligt den elektroniske struktur af selve kanten," sagde Louie, som også er professor i fysik ved UC Berkeley. "Dette dilemma har dømt forsøg på at få adgang til deres magnetiske struktur med eksperimentelle teknikker, og indtil nu henvist deres udforskning til beregningsmodeller," tilføjede han.

Guidet af teoretiske modeller designede Fischer og Louie en specialfremstillet molekylær byggesten med et arrangement af kulstof- og nitrogenatomer, der kan kortlægges på den præcise struktur af de ønskede zigzag-grafen-nanobånd.

For at bygge nanobåndene afsættes de små molekylære byggesten først på en flad metaloverflade eller substrat. Dernæst opvarmes overfladen forsigtigt, hvilket aktiverer to kemiske håndtag i hver ende af hvert molekyle. Dette aktiveringstrin bryder en kemisk binding og efterlader en meget reaktiv "klæbende ende."

Hver gang to "klæbende ender" mødes, mens de aktiverede molekyler breder sig ud på overfladen, kombineres molekylerne og danner nye carbon-carbon-bindinger. Til sidst bygger processen 1D daisy chains af molekylære byggesten. Endelig omarrangerer et andet opvarmningstrin kædens indre bindinger til dannelse af et grafen nanobånd med to parallelle zigzag-kanter.

"Den unikke fordel ved denne molekylære bottom-up teknologi er, at ethvert strukturelt træk ved grafenbåndet, såsom den nøjagtige position af nitrogenatomerne, kan kodes i den molekylære byggesten," sagde Raymond Blackwell, en kandidatstuderende i Fischer-gruppen og medforfatter på papiret sammen med Fangzhou Zhao, en kandidatstuderende i Louie-gruppen.

Den næste udfordring var at måle nanobåndenes egenskaber.

"Vi indså hurtigt, at for ikke kun at måle, men faktisk kvantificere det magnetiske felt induceret af de spin-polariserede nanobånds kanttilstande, ville vi være nødt til at løse to yderligere problemer," sagde Fischer, som også er professor i kemi ved UC Berkeley.

Først skulle holdet finde ud af, hvordan man adskiller båndets elektroniske struktur fra dets substrat. Fischer løste problemet ved at bruge en scanning tunnelmikroskopspids til irreversibelt at bryde forbindelsen mellem grafen nanobåndet og det underliggende metal.

Den anden udfordring var at udvikle en ny teknik til direkte at måle et magnetfelt på nanometerskalaen. Heldigvis fandt forskerne ud af, at nitrogenatomerne substitueret i nanobåndets struktur faktisk fungerede som sensorer i atomskala.

Målinger ved positionerne af nitrogenatomerne afslørede de karakteristiske træk ved et lokalt magnetfelt langs zigzag-kanten.

Beregninger udført af Louie ved hjælp af computerressourcer ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) gav kvantitative forudsigelser af de interaktioner, der opstår fra de spin-polariserede kanttilstande af båndene. Mikroskopimålinger af de præcise signaturer af magnetiske interaktioner matchede disse forudsigelser og bekræftede deres kvanteegenskaber.

"At udforske og i sidste ende udvikle de eksperimentelle værktøjer, der tillader rationel konstruktion af disse eksotiske magnetiske kanter, åbner døren til hidtil usete muligheder for kulstofbaseret spintronik," sagde Fischer med henvisning til næste generations nano-elektroniske enheder, der er afhængige af elektronernes iboende egenskaber. Fremtidigt arbejde vil involvere at udforske fænomener forbundet med disse egenskaber i specialdesignede zigzag-grafenarkitekturer. + Udforsk yderligere

Beviser fundet for magnetisme ved kanterne af grafen