(Phys.org) —Grafene, un materiale costituito da un reticolo di atomi di carbonio, un atomo di spessore, è ampiamente pubblicizzato come il materiale più elettricamente conduttivo mai studiato. Però, non tutto il grafene è uguale. Con così pochi atomi che comprendono la totalità del materiale, la disposizione di ciascuno ha un impatto sulla sua funzione complessiva.

Ora, per la prima volta, ricercatori dell'Università della Pennsylvania hanno utilizzato un microscopio all'avanguardia per studiare la relazione tra la geometria atomica di un nastro di grafene e le sue proprietà elettriche.

Una comprensione più profonda di questa relazione sarà necessaria per la progettazione di circuiti integrati a base di grafene, chip per computer e altri dispositivi elettronici.

Lo studio è stato condotto dai professori A.T. Charlie Johnson e Marija Drndić, entrambi del Dipartimento di Fisica e Astronomia della Penn's School of Arts &Sciences, insieme a Zhengqing John Qi, un membro del laboratorio di Johnson, e Julio Rodríguez-Manzo del laboratorio di Drndic. Sung Ju Hong, poi un membro del laboratorio di Johnson, anche contribuito allo studio.

Il team di Penn ha collaborato con i ricercatori del Brookhaven National Laboratory, l'Université Catholique de Louvain in Belgio e la Seoul National University in Corea del Sud.

Il loro studio è stato pubblicato sulla rivista Nano lettere .

Gli esperimenti del team sono stati resi possibili dal microscopio elettronico a trasmissione corretto per l'aberrazione di Brookhaven, o AC-TEM. Focalizzando il fascio di elettroni del microscopio, i ricercatori sono stati in grado di tagliare in modo controllato fogli di grafene in nastri con larghezze fino a 10 nanometri, mantenendoli collegati a una fonte di elettricità esterna al microscopio. Potrebbero quindi utilizzare la risoluzione nanoscopica dell'AC-TEM per distinguere tra i singoli atomi di carbonio all'interno di quei nastri. Questo livello di precisione era necessario per determinare come erano orientati gli atomi di carbonio sui bordi dei nanonastri.

"Stiamo mettendo in relazione la struttura del grafene, la sua disposizione atomica, con le sue proprietà di trasporto elettrico, " ha detto Drndić. "In particolare, stavamo guardando i bordi, di cui siamo stati in grado di identificare la geometria."

"Il grafene sembra un filo di pollo, e puoi tagliare questo reticolo esagonale di atomi di carbonio in diversi modi, producendo diverse forme sul bordo, " ha detto. "Ma se lo tagli in un modo, potrebbe comportarsi più come un metallo, e, se lo tagli in un altro modo, potrebbe essere più simile a un semiconduttore."

Per qualsiasi pezzo di grafene, i lati appuntiti o piatti dei suoi esagoni di carbonio potrebbero trovarsi sul bordo del pezzo. Dove i lati appuntiti sono rivolti verso l'esterno, il bordo ha un motivo a "zig-zag". I lati piatti producono un motivo a "poltrona" quando sono su un bordo. Ogni dato bordo potrebbe anche visualizzare un mix dei due, a seconda di come è stato inizialmente tagliato il pezzo di grafene e di come quel bordo si degrada sotto stress.

Poiché i nanonastri di grafene erano collegati a una fonte di elettricità mentre si trovavano all'interno dell'AC-TEM, i ricercatori sono stati in grado di tracciare contemporaneamente il contorno dei nastri e misurarne la conduttività. Questo ha permesso di mettere in correlazione le due figure.

"Se vuoi usare i nanonastri di grafene nei chip dei computer, Per esempio, devi assolutamente avere queste informazioni, " Johnson ha detto. "La gente ha guardato questi nastri al microscopio, e le persone hanno misurato le loro proprietà elettriche senza guardarle, ma mai entrambe contemporaneamente."

Dopo aver studiato i nanonastri con livelli relativamente bassi di flusso di elettroni, i ricercatori hanno aumentato l'intensità, proprio come accendere una lampadina usando un interruttore dimmer La combinazione del bombardamento di elettroni dal microscopio e la grande quantità di elettroni che scorre attraverso i nanonastri ha causato il graduale degrado delle loro strutture. Quando i legami di carbonio all'interno dei nanonastri si sono rotti, sono diventati più sottili e la forma dei loro bordi è cambiata, fornendo punti dati aggiuntivi.

"Facendo tutto al microscopio, " Rodríguez-Manzo ha detto, "possiamo semplicemente seguire questa trasformazione fino alla fine, misurare le correnti per i nanonastri anche quando diventano più piccoli di 1 nanometro di diametro. È largo cinque atomi."

Questo tipo di stress test è fondamentale per la progettazione futura dell'elettronica al grafene.

"Dobbiamo vedere quanta corrente possiamo trasportare prima che questi nanonastri cadano a pezzi. I nostri dati mostrano che questa cifra è alta rispetto al rame, " Rodríguez-Manzo saLe dure condizioni hanno anche fatto piegare su se stessi alcuni nastri, produzione di loop nanoscopici di grafene. per caso, il team ha scoperto che questi anelli avevano proprietà desiderabili.

"Quando i bordi si avvolgono e formano i cappi che vediamo, "Johnson ha detto, "aiuta a tenere insieme la struttura, e rende la densità di corrente mille volte superiore a quello che è attualmente lo stato dell'arte. Quella struttura sarebbe utile per creare interconnessioni [che sono i percorsi conduttori che collegano i transistor insieme nei circuiti integrati]."

La ricerca futura in questo campo comporterà il confronto diretto delle proprietà elettriche dei nanonastri di grafene con diverse larghezze e forme dei bordi.

"Una volta che saremo in grado di tagliare questi nanonastri atomo per atomo, "Drndic ha detto, "Ci sarà molto di più che possiamo ottenere".