Strisce strette di grafene chiamate nanonastri mostrano proprietà straordinarie che le rendono importanti candidati per le future tecnologie nanoelettroniche. Una barriera per sfruttarli, però, è la difficoltà di controllare la loro forma su scala atomica, un prerequisito per molte possibili applicazioni.

Ora, ricercatori presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e l'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato un nuovo approccio di precisione per sintetizzare nanonastri di grafene da blocchi molecolari pre-progettati. Usando questo processo i ricercatori hanno costruito nanonastri che hanno proprietà migliorate, come quelle dipendenti dalla posizione, bandgap sintonizzabili, potenzialmente molto utili per i circuiti elettronici di prossima generazione.

I risultati appaiono in un articolo intitolato "Ingegneria molecolare del gap delle eterogiunzioni di nanonastri di grafene sintetizzati dal basso, " pubblicato in Nanotecnologia della natura .

"Questo lavoro rappresenta il progresso verso l'obiettivo di assemblare in modo controllabile le molecole in qualsiasi forma desideriamo, "dice Mike Crommie, scienziato senior al Berkeley Lab, professore all'Università di Berkeley, e leader dello studio. "Per la prima volta abbiamo creato un nanonastro molecolare in cui la larghezza cambia esattamente come lo abbiamo progettato".

Nanoribbons passato e presente

In precedenza, gli scienziati hanno realizzato nanonastri che hanno una larghezza costante in tutto. "Questo rende un bel filo o un semplice elemento di commutazione, "dice Crommie, "ma non fornisce molte funzionalità. Volevamo vedere se potevamo cambiare la larghezza all'interno di un singolo nanonastro, controllare la struttura all'interno del nanonastro su scala atomica per dargli un nuovo comportamento potenzialmente utile".

Felix Fisher, Professore di Chimica presso l'UC Berkeley che ha guidato congiuntamente lo studio, progettato i componenti molecolari per scoprire se questo sarebbe stato possibile. Insieme, Fischer e Crommie hanno scoperto che le molecole di diverse larghezze possono effettivamente essere fatte legare chimicamente in modo tale che la larghezza sia modulata lungo la lunghezza di un singolo nanonastro risultante.

"Pensa alle molecole come blocchi Lego di dimensioni diverse, " spiega Fischer. Ogni blocco ha una certa struttura definita e quando vengono messi insieme danno una forma particolare per l'intero nanonastro. "Vogliamo vedere se possiamo capire le proprietà esotiche che emergono quando assembliamo queste strutture molecolari, e per vedere se possiamo sfruttarli per costruire nuovi dispositivi funzionali."

Fino ad ora, la sintesi dei nanonastri ha principalmente coinvolto l'incisione di nastri da fogli 2D di grafene più grandi. Il problema, secondo Fischer, è che questo manca di precisione e ogni nanonastro risultante ha un unico, struttura leggermente casuale. Un altro metodo è stato quello di decomprimere i nanotubi per produrre nanonastri. Ciò produce bordi più lisci rispetto alla tecnica di incisione "top-down", ma è difficile da controllare perché i nanotubi hanno larghezze e chiralità diverse.

Un terzo percorso, scoperto da Roman Fasel dei Laboratori federali svizzeri per la scienza e la tecnologia dei materiali insieme ai suoi collaboratori, comporta il posizionamento di molecole su una superficie metallica e la loro fusione chimica per formare nanonastri perfettamente uniformi. Crommie e Fischer hanno modificato quest'ultimo approccio e hanno dimostrato che se le forme delle molecole costituenti vengono variate, lo è anche la forma del nanonastro risultante.

"Quello che abbiamo fatto di nuovo è mostrare che è possibile creare nanonastri atomicamente precisi con una forma non uniforme cambiando le forme dei mattoni molecolari, "dice Crommie.

Controllo delle proprietà quantistiche

Gli elettroni all'interno dei nanonastri creano modelli di onde stazionarie quantomeccaniche che determinano le proprietà elettroniche del nanonastro, come il suo "bandgap". Questo determina l'energia di come gli elettroni si muovono attraverso un nanonastro, comprese le regioni in cui si accumulano e quali evitano.

Nel passato, gli scienziati hanno progettato spazialmente il bandgap dei dispositivi su scala micron attraverso il doping, l'aggiunta di impurità a un materiale. Per i nanonastri più piccoli, però, è possibile modificare il bandgap modificando la loro larghezza con incrementi sub-nanometrici, un processo che Crommie e Fischer hanno soprannominato "ingegneria del bandgap molecolare". Questo tipo di ingegneria consente ai ricercatori di adattare le proprietà quantomeccaniche dei nanonastri in modo che possano essere utilizzati in modo flessibile per futuri dispositivi nanoelettronici.

Per testare la loro ingegneria del bandgap molecolare, Il gruppo di Crommie ha utilizzato la microscopia a effetto tunnel (STM), una tecnica in grado di mappare spazialmente il comportamento degli elettroni all'interno di un singolo nanonastro. "Avevamo bisogno di conoscere la forma su scala atomica dei nanonastri, e avevamo anche bisogno di sapere come gli elettroni all'interno si adattano a quella forma, " dice Crommie. Il professore di fisica dell'Università di Berkeley Steven Louie e il suo studente Ting Cao hanno calcolato la struttura elettronica dei nanribbons per interpretare correttamente le immagini STM. Questo "ha chiuso il cerchio" tra il design dei nanoribbon, fabbricazione, e caratterizzazione.

Nuove direzioni verso nuovi dispositivi

Una delle principali domande in questo lavoro è come costruire al meglio dispositivi utili da queste minuscole strutture molecolari. Mentre il team ha mostrato come fabbricare nanonastri con larghezza variabile, non li ha ancora incorporati nei circuiti elettronici reali. Crommie e Fischer sperano di utilizzare questo nuovo tipo di nanonastro per creare eventualmente nuovi elementi del dispositivo, come diodi, transistor, e LED - che sono più piccoli e più potenti di quelli attualmente in uso. Alla fine sperano di incorporare nanonastri in circuiti complessi che forniscano prestazioni migliori rispetto ai chip dei computer di oggi. A tal fine stanno collaborando con ingegneri elettrici dell'UC Berkeley come Jeffrey Bokor e Sayeef Salahuddin.

La precisione spaziale richiesta esiste già:il team può modulare la larghezza del nanonastro da 0,7 nm a 1,4 nm, creando giunzioni in cui i nanonastri stretti si fondono perfettamente in quelli più larghi. "Variare la larghezza di un fattore due ci permette di modulare il bandgap di più di 1eV, " dice Fischer. Per molte applicazioni questo è sufficiente per costruire dispositivi utili.

Mentre le potenziali applicazioni sono interessanti, Crommie sottolinea che una motivazione centrale per la ricerca è il desiderio di rispondere a domande scientifiche di base come come si comportano effettivamente i nanonastri con larghezza non uniforme. "Abbiamo deciso di rispondere a una domanda interessante, e noi abbiamo risposto, " conclude.