Utilizzando nastri di grafene di larghezze inimmaginabilmente piccole - solo diversi atomi di diametro - un gruppo di ricercatori dell'Università del Wisconsin-Milwaukee (UWM) ha trovato un nuovo modo per "sintonizzare" il materiale meraviglioso, facendo sì che il conduttore di elettricità estremamente efficiente agisca come un semiconduttore.

In linea di principio, il loro metodo per produrre questi nastri stretti – a una larghezza approssimativamente uguale al diametro di un filamento di DNA umano – e manipolare la conduttività elettrica dei nastri potrebbe essere usato per produrre nano-dispositivi.

Grafene, un foglio di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, è pubblicizzato per il suo alto potenziale di produrre dispositivi su scala nanometrica e fornire elaborazione a velocità quantistica. Ma prima che possa essere applicato alla nanotecnologia, i ricercatori devono prima trovare un metodo facile per controllare il flusso di elettroni al fine di ideare anche un semplice interruttore on-off.

"I nano-nastri sono sistemi modello per studiare gli effetti su nanoscala nel grafene, ma ottenere una larghezza del nastro inferiore a 10 nanometri e caratterizzarne lo stato elettronico è piuttosto impegnativo, "dice Yaoyi Li, un ricercatore post-dottorato in fisica UWM e primo autore di un articolo pubblicato il 2 luglio sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Imaging dei nastri con la microscopia a scansione-tunneling, i ricercatori hanno confermato quanto deve essere stretta la larghezza del nastro per alterare le proprietà elettriche del grafene, rendendolo più sintonizzabile.

"Abbiamo scoperto che la transizione avviene a tre nanometri e i cambiamenti sono improvvisi, "dice Michael Weinert, un fisico teorico UWM che ha lavorato al progetto sostenuto dal Dipartimento di Energia con il fisico sperimentale Lian Li. "Prima di questo studio, non c'erano prove sperimentali dell'ampiezza dell'insorgenza di questi comportamenti".

Il team ha anche scoperto che più stretto diventa il nastro, più "sintonizzabili" i comportamenti del materiale. I due lembi di un nastro così stretto sono in grado di interagire fortemente, trasformando essenzialmente il nastro in un semiconduttore con qualità sintonizzabili simili a quelle del silicio.

Il primo ostacolo

Gli attuali metodi di taglio possono produrre larghezze di nastro di cinque nanometri di diametro, ancora troppo ampio per raggiungere lo stato sintonizzabile, dice Yaoyi Li. Oltre a produrre nastri più stretti, qualsiasi nuova strategia per il taglio da loro escogitata dovrebbe anche comportare un allineamento rettilineo degli atomi ai bordi del nastro per mantenere le proprietà elettriche, Aggiunge.

Quindi il team UWM ha utilizzato nanoparticelle di ferro sopra il grafene in un ambiente a idrogeno. Il ferro è un catalizzatore che fa reagire gli atomi di idrogeno e carbonio, creando un gas che incide una trincea nel grafene. Il taglio si ottiene controllando con precisione la pressione dell'idrogeno, dice Lian Li.

La nanoparticella di ferro si muove casualmente attraverso il grafene, producendo nastri di varie larghezze, inclusi alcuni sottili come un nanometro, lui dice. Il metodo produce anche bordi con atomi correttamente allineati.

Esiste una limitazione per il metodo di taglio della squadra, e questo ha a che fare con il punto in cui vengono tagliati i bordi. Gli atomi nel grafene sono disposti su un reticolo a nido d'ape che, a seconda della direzione del taglio si ottiene un bordo a "poltrona" o uno a "zigzag". I comportamenti dei semiconduttori osservati dai ricercatori con il loro metodo di incisione si verificheranno solo con un taglio nella configurazione a zigzag.

Manipolare per la funzione

Quando tagliato, gli atomi di carbonio ai bordi dei nastri risultanti hanno solo due dei normali tre vicini, creando una sorta di legame che attrae atomi di idrogeno e recinto di elettroni ai bordi del nastro. Se il nastro è abbastanza stretto, gli elettroni sui lati opposti possono ancora interagire, creando un comportamento elettrico semiconduttivo, dice Weinert.

I ricercatori stanno ora sperimentando la saturazione dei bordi con ossigeno, piuttosto che idrogeno, per indagare se questo cambia il comportamento elettrico del grafene in quello di un metallo.

L'aggiunta di funzioni ai nano-nastri di grafene attraverso questo processo potrebbe rendere possibile l'obiettivo ambito di componenti su scala atomica realizzati con lo stesso materiale, ma con comportamenti elettrici differenti, dice Weinert.