Nel recente numero di Natura , Scienziati europei dell'Empa e del Max Planck Institute for Polymer Research riferiscono come sono riusciti per la prima volta a coltivare nastri di grafene larghi pochi nanometri utilizzando un semplice metodo chimico basato sulla superficie. I nastri di grafene sono considerati "candidati caldi" per future applicazioni elettroniche poiché le loro proprietà possono essere regolate in base alla larghezza e alla forma del bordo.

I transistor a base di grafene sono considerati potenziali successori dei componenti in silicio attualmente in uso. Il grafene è costituito da strati di carbonio bidimensionali e possiede una serie di proprietà eccezionali:non è solo più duro del diamante, estremamente resistente allo strappo e impermeabile ai gas, ma è anche un ottimo conduttore elettrico e termico. Però, poiché il grafene è un semimetallo gli manca, a differenza del silicio, una banda proibita elettronica e quindi non ha capacità di commutazione che è essenziale per le applicazioni elettroniche. Scienziati dell'Empa, il Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz (Germania), L'ETH di Zurigo e le Università di Zurigo e Berna hanno ora sviluppato un nuovo metodo per creare nastri di grafene con band gap.

Ad oggi, nastri di grafene sono stati "tagliati" da fogli di grafene più grandi, simile alle tagliatelle tagliate dall'impasto della pasta. Oppure i nanotubi di carbonio venivano aperti longitudinalmente e spiegati. Ciò dà origine a un intervallo di banda tramite un effetto meccanico quantistico - il divario è un intervallo di energia che non può essere occupato dagli elettroni e che determina le proprietà fisiche, come la capacità di commutazione. La larghezza (e la forma del bordo) del nastro di grafene determina la dimensione della banda proibita e quindi influenza le proprietà dei componenti costruiti dal nastro.

Se si potessero fabbricare nastri di grafene estremamente stretti (larghi ben al di sotto dei 10 nanometri) che hanno anche bordi ben definiti, quindi il ragionamento quindi potrebbero consentire componenti che esibiscono proprietà ottiche ed elettroniche specifiche:a seconda delle esigenze, la regolazione del band gap potrebbe essere utilizzata per mettere a punto le caratteristiche di commutazione di un transistor. Questa non è un'impresa da poco, come i metodi litografici finora utilizzati, ad esempio per tagliare strati di grafene, scontrarsi con barriere fondamentali; producono nastri troppo larghi e con bordi diffusi.

Nel numero di Natura pubblicato il 22 luglio 2010, scienziati guidati da Roman Fasel, Senior Scientist all'Empa e professore di chimica e biochimica all'Università di Berna, e Klaus Mullen, Direttore del Max Planck Institute for Polymer Research, descrivere un semplice metodo chimico a base di superficie per creare nastri così stretti senza la necessità di tagliare, con un approccio dal basso verso l'alto, cioè dagli elementi costitutivi di base. Per realizzare questo, hanno diffuso monomeri sostituiti con alogeno appositamente progettati su superfici d'oro e d'argento in condizioni di vuoto ultraelevato. Questi sono collegati per formare catene di polifenilene in una prima fase di reazione.

In una seconda fase di reazione, avviata da un riscaldamento leggermente superiore, gli atomi di idrogeno vengono rimossi e le catene interconnesse per formare un planare, sistema di grafene aromatico. Ciò si traduce in nastri di grafene dello spessore di un singolo atomo che sono larghi un nanometro e lunghi fino a 50 nm. I nastri di grafene sono quindi così stretti da mostrare un band gap elettronico e quindi, come nel caso del silicio, possiedono proprietà di commutazione, un primo e importante passo per il passaggio dalla microelettronica al silicio alla nanoelettronica al grafene. E se questo non bastasse, vengono creati nastri di grafene con diverse strutture spaziali (linee rette o con forme a zig-zag), a seconda dei monomeri molecolari utilizzati dagli scienziati.

Poiché gli scienziati ora possono (quasi) produrre nastri di grafene a piacimento, vogliono iniziare a indagare sulle loro proprietà, per esempio come le proprietà magnetiche dei nastri di grafene possono essere influenzate da diverse strutture di bordo. Il metodo chimico di superficie apre anche interessanti possibilità per quanto riguarda il drogaggio mirato di nastri di grafene:l'uso di componenti monomerici con atomi di azoto o boro in posizioni ben definite o l'uso di monomeri con gruppi funzionali aggiuntivi dovrebbe consentire la creazione di nastri di grafene drogati positivamente e negativamente.

È anche possibile una combinazione di diversi monomeri che può consentire, Per esempio, la creazione delle cosiddette eterogiunzioni - interfacce tra diversi tipi di nastri di grafene, come nastri con gap di banda piccoli e grandi, che potrebbero essere utilizzati nelle celle solari o nei componenti ad alta frequenza. Gli scienziati hanno già dimostrato che il principio alla base di questo funziona:hanno collegato tra loro tre nastri di grafene in un punto nodale tramite due monomeri adatti.

Ad oggi, the scientists have focused on graphene ribbons on metal surfaces. Però, to be usable in electronics the graphene ribbons need to be created on semi-conductor surfaces or methods must be developed to transfer the ribbons from metal to semi-conductor surfaces. And first results in this direction also give the scientists good reasons to be optimistic.