(PhysOrg.com) -- Già negli anni '90, molto prima che qualcuno avesse effettivamente isolato il grafene, un reticolo a nido d'ape di carbonio dello spessore di appena un atomo, i teorici prevedevano proprietà straordinarie ai bordi dei nanonastri di grafene. Ora fisici presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, e i loro colleghi dell'Università della California a Berkeley, Università di Stanford, e altre istituzioni, hanno effettuato le prime misurazioni precise degli "stati limite" di nanonastri ben ordinati.

Un nanonastro di grafene è una striscia di grafene che può essere larga solo pochi nanometri (un nanometro è un miliardesimo di metro). I teorici hanno immaginato che i nanonastri, a seconda della loro larghezza e dell'angolo con cui vengono tagliati, avrebbe elettronica unica, magnetico, e caratteristiche ottiche, compresi i band gap come quelli dei semiconduttori, quale foglio di grafene non ha.

"Finora nessuno è stato in grado di testare le previsioni teoriche riguardanti gli stati limite dei nanonastri, perché nessuno riusciva a capire come vedere la struttura su scala atomica sul bordo di un nanonastro di grafene ben ordinato e come, allo stesso tempo, per misurare le sue proprietà elettroniche entro nanometri dal bordo, " afferma Michael Crommie della divisione di scienze dei materiali (MSD) di Berkeley Lab e della divisione di fisica dell'Università di Berkeley, che ha condotto la ricerca. "Siamo stati in grado di raggiungere questo obiettivo studiando nanonastri appositamente realizzati con un microscopio a scansione a effetto tunnel".

La ricerca del team non solo conferma le previsioni teoriche, ma apre la prospettiva di costruire azioni rapide, dispositivi su scala nanometrica ad alta efficienza energetica da interruttori grafene-nanoribbon, valvole di rotazione, e rilevatori, in base alla carica dell'elettrone o allo spin dell'elettrone. Più avanti lungo la strada, Gli stati del bordo del nanonastro di grafene aprono la possibilità di dispositivi con magnetoresistenza gigante sintonizzabile e altri effetti magnetici e ottici.

Crommie e i suoi colleghi hanno pubblicato la loro ricerca in Fisica della natura , disponibile dall'8 maggio 2011 in pubblicazione online avanzata.

Il nanonastro ben temperato

"Fare fiocchi e fogli di grafene è diventato un luogo comune, "Crommy dice, "ma fino ad ora, nanonastri prodotti con diverse tecniche hanno mostrato, nella migliore delle ipotesi, un alto grado di disomogeneità" - che in genere si traduce in strutture a nastro disordinate con solo brevi tratti di bordi diritti che appaiono casualmente. Il primo passo essenziale nel rilevamento degli stati dei bordi dei nanonastri è l'accesso a nanonastri uniformi con bordi diritti, ben ordinato su scala atomica.

Hongjie Dai del Dipartimento di Chimica e Laboratorio per Materiali Avanzati della Stanford University, un membro del gruppo di ricerca, risolto questo problema con un nuovo metodo di "decompressione" chimicamente dei nanotubi di carbonio. Il grafene arrotolato in un cilindro fa un nanotubo, e quando i nanotubi vengono decompressi in questo modo, la fetta scorre dritta lungo la lunghezza del tubo, lasciando ben ordinato, bordi dritti.

Il grafene può essere avvolto in quasi tutte le angolazioni per creare un nanotubo. Il modo in cui il nanotubo è avvolto determina il passo, o "vettore chirale, " del bordo del nanonastro quando il tubo viene aperto. Un taglio dritto lungo gli atomi esterni di una fila di esagoni produce un bordo a zigzag. Un taglio eseguito con un angolo di 30 gradi da un bordo a zigzag passa attraverso il centro degli esagoni e produce bordi smerlati, noti come bordi "poltrona". Tra questi due estremi ci sono una varietà di vettori chirali che descrivono bordi scalati su scala nanometrica, in quale, Per esempio, dopo ogni pochi esagoni viene aggiunto un segmento a zigzag ad angolo.

Si prevede che queste sottili differenze nella struttura dei bordi producano proprietà fisiche misurabilmente diverse, che potenzialmente potrebbe essere sfruttato in nuove applicazioni di grafene. Steven Louie dell'UC Berkeley e del MSD del Berkeley Lab era il teorico del gruppo di ricerca; con l'aiuto del postdoc Oleg Yazyev, Louie ha calcolato i risultati attesi, che sono stati poi testati contro l'esperimento.

Chenggang Tao di MSD e UCB ha guidato un team di studenti laureati nell'esecuzione della microscopia a scansione tunnel (STM) dei nanonastri su un substrato d'oro, che ha risolto le posizioni dei singoli atomi nei nanonastri di grafene. Il team ha esaminato più di 150 nanonastri di alta qualità con diverse chiralità, tutto ciò ha mostrato una caratteristica inaspettata, un bordo rialzato regolare vicino ai bordi che forma una gobba o uno smusso. Una volta che questo è stato stabilito come una caratteristica del bordo reale - non l'artefatto di un nastro piegato o un nanotubo appiattito - la chiralità e le proprietà elettroniche dei bordi del nanonastro ben ordinati potrebbero essere misurati con sicurezza, e le regioni marginali modellate teoricamente.

Elettronica al limite

"I fogli di grafene bidimensionali sono notevoli per il modo in cui gli elettroni si muovono liberamente attraverso di essi, compreso il fatto che non c'è banda proibita, " Crommie dice. "I nanonastri sono diversi:gli elettroni possono rimanere intrappolati in stretti canali lungo i bordi dei nanonastri. Questi stati limite sono unidimensionali, ma gli elettroni su un bordo possono ancora interagire con gli elettroni del bordo sull'altro lato, che provoca l'apertura di un gap energetico."

Utilizzando un STM in modalità spettroscopia (STS), il team ha misurato i cambiamenti di densità elettronica quando una punta STM è stata spostata da un bordo di un nanonastro verso l'interno verso il suo interno. Nanoribbons di diverse larghezze sono stati esaminati in questo modo. I ricercatori hanno scoperto che gli elettroni sono confinati al bordo dei nanonastri, e che questi elettroni ai bordi del nanonastro mostrano una pronunciata scissione nei loro livelli di energia.

"Nel mondo quantistico, gli elettroni possono essere descritti come onde oltre ad essere particelle, " Note Crommie. Dice che un modo per immaginare come sorgono i diversi stati di bordo è immaginare un'onda di elettroni che riempie la lunghezza del nastro e diffrange gli atomi vicino al bordo. I modelli di diffrazione assomigliano alle onde dell'acqua che passano attraverso le fessure in una barriera.

For nanoribbons with an armchair edge, the diffraction pattern spans the full width of the nanoribbon; the resulting electron states are quantized in energy and extend spatially throughout the entire nanoribbon. For nanoribbons with a zigzag edge, però, the situation is different. Here diffraction from edge atoms leads to destructive interference, causing the electron states to localize near the nanoribbon edges. Their amplitude is greatly reduced in the interior.

The energy of the electron, the width of the nanoribbon, and the chirality of its edges all naturally affect the nature and strength of these nanoribbon electronic states, an indication of the many ways the electronic properties of nanoribbons can be tuned and modified.

Says Crommie, "The optimist says, 'Wow, look at all the ways we can control these states – this might allow a whole new technology!' The pessimist says, 'Uh-oh, look at all the things that can disturb a nanoribbon's behavior – how are we ever going to achieve reproducibility on the atomic scale?'"

Crommie himself declares that "meeting this challenge is a big reason for why we do research. Nanoribbons have the potential to form exciting new electronic, magnetico, and optical devices at the nanoscale. We might imagine photovoltaic applications, where absorbed light leads to useful charge separation at nanoribbon edges. We might also imagine spintronics applications, where using a side-gate geometry would allow control of the spin polarization of electrons at a nanoribbon's edge."

Although getting there won't be simple -- "The edges have to be controlled, " Crommie emphasizes -- "what we've shown is that it's possible to make nanoribbons with good edges and that they do, infatti, have characteristic edge states similar to what theorists had expected. This opens a whole new area of future research involving the control and characterization of graphene edges in different nanoscale geometries."