Illustrazione di una giunzione p-n in un'eterostruttura composta da segmenti di nanonastro di grafene incontaminati e drogati con azoto ("blu brillante"). Si prevede che il forte cambiamento nel potenziale elettrostatico attraverso la regione dell'interfaccia porti a un'elevata efficienza di separazione dei portatori di carica, come schematicamente illustrato da elettroni in movimento opposto (rosso) e fori (blu).
Il grafene è un semiconduttore se preparato come un nastro ultrasottile, sebbene il materiale sia in realtà un materiale conduttivo. I ricercatori dell'Empa e del Max Planck Institute for Polymer Research hanno ora sviluppato un nuovo metodo per drogare selettivamente le molecole di grafene con atomi di azoto. Mettendo insieme pezzi di grafene drogati e non drogati senza soluzione di continuità, sono stati in grado di formare "eterogiunzioni" nei nanonastri, soddisfacendo così un requisito di base per la corrente elettronica di fluire in una sola direzione quando viene applicata la tensione:il primo passo verso un transistor al grafene. Per di più, il team è riuscito con successo a rimuovere i nanonastri di grafene dal substrato d'oro su cui sono stati coltivati ea trasferirli su un materiale non conduttivo.
Il grafene possiede molte proprietà eccezionali:conduce calore ed elettricità, è trasparente, più duro del diamante ed estremamente forte. Ma per usarlo per costruire interruttori elettronici, un materiale non deve essere solo un eccellente conduttore, dovrebbe anche essere commutabile tra gli stati "on" e "off". Ciò richiede la presenza di un cosiddetto bandgap, che consente ai semiconduttori di essere in uno stato isolante. Il problema, però, è che il bandgap nel grafene è estremamente piccolo. I ricercatori dell'Empa del laboratorio "nanotech@surfaces" hanno quindi sviluppato qualche tempo fa un metodo per sintetizzare una forma di grafene con bande proibite più grandi, consentendo ai nanonastri di grafene ultra-sottili di "crescere" tramite l'autoassemblaggio molecolare.
Nanonastri di grafene costituiti da segmenti diversamente drogati
I ricercatori, guidato da Roman Fasel, hanno ora raggiunto un nuovo traguardo consentendo la crescita di nanonastri di grafene costituiti da sottosegmenti diversamente drogati. Invece di usare sempre le stesse molecole di carbonio "puro", hanno usato anche molecole drogate - molecole dotate di "atomi estranei" in posizioni precisamente definite, in questo caso azoto. Mettendo insieme segmenti "normali" con segmenti drogati con azoto su una superficie d'oro (Au (111)), tra i singoli segmenti si creano le cosiddette eterogiunzioni. I ricercatori hanno dimostrato che questi mostrano proprietà simili a quelle di una classica giunzione pn, cioè una giunzione con cariche sia positive che negative attraverso diverse regioni del cristallo semiconduttore, creando così la struttura di base che consente lo sviluppo di molti componenti utilizzati nell'industria dei semiconduttori. Una giunzione p-n fa sì che la corrente fluisca in una sola direzione. A causa della brusca transizione all'interfaccia dell'eterogiunzione, la nuova struttura consente inoltre di separare efficacemente le coppie elettrone/lacuna quando viene applicata una tensione esterna, come dimostrato teoricamente dai teorici dell'Empa e dai collaboratori del Rensselaer Polytechnic Institute Quest'ultimo ha un impatto diretto sulla resa energetica delle celle solari. I ricercatori descrivono le corrispondenti eterogiunzioni nei nanonastri di grafene segmentati nel numero recentemente pubblicato di Nanotecnologia della natura .
Trasferimento di nanonastri di grafene su altri substrati
Eterostruttura di un nastro di grafene costituito da un segmento puro e uno drogato con azoto (blu luminoso)
Inoltre, gli scienziati hanno risolto un altro problema chiave per l'integrazione della nanotecnologia del grafene nell'industria dei semiconduttori convenzionale:come trasferire i nastri di grafene ultrasottili su un'altra superficie? Finché i nanonastri di grafene rimangono su un substrato metallico (come l'oro usato qui) non possono essere usati come interruttori elettronici. L'oro conduce e quindi crea un cortocircuito che "sabota" le attraenti proprietà semiconduttive del nastro di grafene. Il team di Fasel e i colleghi del Max-Planck-Institute for Polymer Research di Magonza sono riusciti a dimostrare che i nanonastri di grafene possono essere trasferiti in modo efficiente e intatto utilizzando un processo di incisione e pulizia relativamente semplice su (virtualmente) qualsiasi substrato, per esempio su zaffiro, fluoruro di calcio o ossido di silicio.
Il grafene sta quindi emergendo sempre più come un interessante materiale semiconduttore e una gradita aggiunta all'onnipresente silicio. I nanonastri semiconduttori di grafene sono particolarmente attraenti in quanto consentono componenti elettronici più piccoli e quindi più efficienti dal punto di vista energetico e più veloci rispetto al silicio. Però, l'uso generalizzato dei nanonastri di grafene nel settore dell'elettronica non è previsto nel prossimo futuro, dovuto in parte a problemi di ridimensionamento e in parte alla difficoltà di sostituire l'elettronica convenzionale basata sul silicio ben consolidata. Fasel stima che potrebbero volerci ancora dai 10 ai 15 anni prima che il primo interruttore elettronico fatto di nanonastri di grafene possa essere utilizzato in un prodotto.
Nanonastri di grafene per componenti fotovoltaici
A differenza del grafene, che mostra un'assorbanza indipendente dalla lunghezza d'onda per la luce visibile, l'assorbimento della luce può essere aumentato enormemente in modo controllato con i nanonastri di grafene. Ciò si ottiene impostando la larghezza dei nanonastri di grafene con precisione atomica.
Anche i componenti fotovoltaici potrebbero un giorno essere basati sul grafene. In un secondo articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , Pascal Ruffieux – anche lui del laboratorio “nanotech@surfaces” dell'Empa – e i suoi colleghi descrivono un possibile utilizzo delle strisce di grafene, per esempio nelle celle solari. Ruffieux e il suo team hanno notato che i nanonastri di grafene particolarmente stretti assorbono la luce visibile eccezionalmente bene e sono quindi altamente adatti per l'uso come strato assorbente nelle celle solari organiche. Rispetto al grafene "normale", che assorbe equamente la luce a tutte le lunghezze d'onda, l'assorbimento della luce nei nanonastri di grafene può essere aumentato enormemente in modo controllato, per cui i ricercatori "impostano" la larghezza dei nanonastri di grafene con precisione atomica.
