Forskere fastgør elektroder til individuelle atomisk præcise grafen nanobånd

Yderst præcision – ned til enkelte atomer

Forskning på de lovende bånd er ikke let. Jo smallere båndet er, jo mere udtalt er dets kvanteegenskaber - men det bliver også sværere at få adgang til et enkelt bånd ad gangen. Det er præcis, hvad der skal gøres for at forstå de unikke egenskaber og mulige anvendelser af dette kvantemateriale og skelne dem fra kollektive effekter.

I en ny undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Nature Electronics , er det lykkedes Perrin og Empa-forsker Jian Zhang sammen med et internationalt team for første gang at få kontakt til individuelle lange og atomært præcise grafen-nanobånd. "Et grafen nanobånd, der kun er ni carbonatomer bredt, måler så lidt som 1 nanometer i bredden," siger Zhang. For at sikre, at kun et enkelt nanobånd bliver kontaktet, brugte forskerne elektroder af samme størrelse. De brugte kulstof nanorør, der også kun var 1 nanometer i diameter.

Præcision er nøglen til sådan et delikat eksperiment. Det begynder med kildematerialerne. Forskerne opnåede grafen nanobåndene via et stærkt og langvarigt samarbejde med Empas nanotech@surfaces laboratorium, ledet af Roman Fasel. "Roman Fasel og hans team har arbejdet på grafen nanobånd i lang tid og kan syntetisere mange forskellige typer med atomær præcision fra individuelle precursor-molekyler," forklarer Perrin. Precursormolekylerne kom fra Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz.

Som det ofte kræves for at fremme det nyeste, er tværfaglighed nøglen, og forskellige internationale forskningsgrupper var involveret, som hver især bragte deres eget speciale til bordet. Kulstofnanorørene blev dyrket af en forskergruppe ved Peking University, og for at fortolke resultaterne af undersøgelsen samarbejdede Empa-forskerne med beregningsforskere ved University of Warwick. "Et projekt som dette ville ikke være muligt uden samarbejde," understreger Zhang.

At kontakte individuelle bånd ved hjælp af nanorør udgjorde en betydelig udfordring for forskerne. "Kulstof nanorørene og grafen nanobåndene dyrkes på separate substrater," forklarer Zhang. "Først skal nanorørene overføres til enhedens substrat og kontaktes af metalelektroder. Derefter skærer vi dem med højopløsnings elektronstrålelitografi for at adskille dem i to elektroder." Til sidst overføres båndene til det samme underlag. Præcision er nøglen:Selv den mindste rotation af substraterne kan reducere sandsynligheden for vellykket kontakt markant. "At have adgang til infrastruktur af høj kvalitet på Binnig and Roher Nanotechnology Center ved IBM Research i Rüschlikon var afgørende for at teste og implementere denne teknologi," siger Perrin.

Fra computere til energiomformere

Forskerne bekræftede succesen af ​​deres eksperiment gennem ladningstransportmålinger. "Fordi kvanteeffekter normalt er mere udtalte ved lav temperatur, udførte vi målingerne ved temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt i et højvakuum," forklarer Perrin. Han tilføjer:"På grund af den ekstremt lille størrelse af disse nanobånd forventer vi, at deres kvanteeffekter er så robuste, at de kan observeres selv ved stuetemperatur."

Dette, siger forskeren, kunne give os mulighed for at designe og betjene chips, der aktivt udnytter kvanteeffekter uden behov for en omfattende køleinfrastruktur.

"Dette projekt muliggør realisering af enkelt nanobånd-enheder, ikke kun for at studere fundamentale kvanteeffekter, såsom hvordan elektroner og fononer opfører sig på nanoskala, men også for at udnytte sådanne effekter til applikationer inden for kvanteskift, kvantesansning og kvanteenergikonvertering." tilføjer Hatef Sadeghi, en professor ved University of Warwick, som samarbejdede om projektet.

Grafen nanobånd er endnu ikke klar til kommercielle anvendelser, og der er stadig meget forskning, der skal gøres. I en opfølgende undersøgelse sigter Zhang og Perrin mod at manipulere forskellige kvantetilstande på et enkelt nanobånd. Derudover planlægger de at skabe enheder baseret på to bånd forbundet i serie og danner en såkaldt dobbelt kvanteprik.

Et sådant kredsløb kunne tjene som en qubit - den mindste informationsenhed i en kvantecomputer. Perrin planlægger at udforske brugen af ​​nanobånd som højeffektive energikonvertere.

Flere oplysninger: Jian Zhang et al., Kontakting af individuelle grafen nanobånd ved hjælp af carbon nanorørelektroder, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00991-3

Journaloplysninger: Naturelektronik

Leveret af Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology