Un singolo strato di grafene mostrato su una diapositiva.
Una nuova procedura consentirà ai ricercatori di fabbricare piccoli, Più veloce, e dispositivi su scala nanometrica più potenti ─ e farlo con controllo molecolare e precisione. Utilizzando un singolo strato di atomi di carbonio, o grafene, nanoingegneri dell'Università della California, San Diego ha inventato un nuovo modo di fabbricare nanostrutture che contengono elementi ben definiti, lacune di dimensioni atomiche. I risultati della Jacobs School of Engineering della UC San Diego sono stati pubblicati nel numero di gennaio della rivista Nano lettere .
Strutture con queste ben definite, lacune di dimensioni atomiche potrebbero essere utilizzate per rilevare singole molecole associate a determinate malattie e un giorno potrebbero portare a microprocessori 100 volte più piccoli di quelli dei computer di oggi.
La capacità di generare spazi estremamente piccoli ─ noti come nanogaps è altamente desiderabile nella fabbricazione di strutture su nanoscala, che sono tipicamente utilizzati come componenti in dispositivi ottici ed elettronici. Diminuendo la distanza tra i circuiti elettronici su un microchip, Per esempio, si possono inserire più circuiti sullo stesso chip per produrre un dispositivo con maggiore potenza di calcolo.
Un team di dottorandi studenti e ricercatori universitari guidati dal professore di nanoingegneria della UC San Diego, Darren Lipomi, hanno dimostrato che la chiave per generare un nanogap più piccolo tra due nanostrutture implica l'uso di un distanziatore di grafene, che può essere inciso via per creare il divario.
Il grafene è il materiale più sottile conosciuto:è semplicemente un singolo strato di atomi di carbonio e misura circa 0,3 nanometri (nm), che è circa 100, 000 volte più sottile di un capello umano. La tecnica sviluppata dal team di Lipomi supera alcuni dei limiti dei metodi di fabbricazione standard, come la fotolitografia e la litografia a fascio di elettroni. A confronto, i nanogap più piccoli che possono essere generati utilizzando i metodi standard sono larghi 10‒20 nm.
"Creare un nanogap è interessante da un punto di vista filosofico, " ha affermato Lipomi. "Mentre la maggior parte degli sforzi nella nanotecnologia si concentra sulla produzione di materiali, essenzialmente non abbiamo fatto nulla ─ ma con dimensioni controllate."
Fare "niente"
Alex Zaretski, uno studente laureato presso il dipartimento di nanoingegneria della UC San Diego Jacobs School of Engineering e autore principale dell'articolo.
Il metodo per realizzare nanogap inizia con la produzione di film sottili in cui un singolo strato di grafene è inserito tra due fogli di metallo dorato. Primo, il grafene viene coltivato su un substrato di rame, e poi sovrapposto con un foglio di metallo dorato. Perché il grafene aderisce meglio all'oro che al rame, l'intero monostrato di grafene può essere facilmente rimosso e rimane intatto su ampie aree. Rispetto ad altre tecniche utilizzate per produrre strutture stratificate simili, questo metodo consente di trasferire il grafene su un film d'oro con difetti o contaminazioni minimi.
"Questo nuovo metodo, che abbiamo sviluppato nel nostro laboratorio, si chiama esfoliazione assistita da metalli. Questo è l'unico modo finora in cui possiamo posizionare il grafene a strato singolo tra due metalli e assicurarci che non contenga strappi, crepe, pieghe, o specie chimiche indesiderate, " ha detto Alex Zaretski, uno studente laureato nel gruppo di ricerca di Lipomi che ha aperto la strada alla tecnica ed è il primo autore dello studio. "L'esfoliazione assistita dal metallo può essere potenzialmente utile per le industrie che utilizzano grandi aree di grafene".
Una volta che il composito oro/grafene è separato dal substrato di rame, il lato appena esposto dello strato di grafene è racchiuso con un altro foglio d'oro per produrre il film sottile oro:grafene:oro a strato singolo.
I film vengono quindi tagliati in nanostrutture larghe 150 nm. Finalmente, le strutture sono trattate con plasma di ossigeno per rimuovere il grafene. Le micrografie elettroniche a scansione delle strutture rivelano nanogap estremamente piccoli tra gli strati d'oro.
Vetrini contenenti campioni di grafene a strato singolo.
Applicazioni Nanogap
Una potenziale applicazione di questa tecnologia è nel rilevamento ultrasensibile di singole molecole, in particolare quelli caratteristici di alcune malattie. Quando la luce viene illuminata su strutture con spazi estremamente piccoli, il campo elettromagnetico che è confinato all'interno del gap viene enormemente potenziato. Questo campo elettromagnetico potenziato, a sua volta, aumenta il segnale prodotto da qualsiasi molecola all'interno del gap.
"Se qualche marcatore di malattia entra e colma il divario tra le nanostrutture, osserveresti un cambiamento nella diffusione della luce dal nanogap che corrisponderebbe alla presenza o meno della malattia, " disse Lipomi.
Mentre la tecnica riportata in questo studio può produrre nanostrutture adatte ad applicazioni ottiche, presenta un grave inconveniente per le applicazioni elettroniche. Le misurazioni spettroscopiche Raman delle nanostrutture d'oro rivelano che piccole quantità di grafene rimangono ancora tra gli strati d'oro dopo essere state trattate con plasma di ossigeno. Ciò significa che solo il grafene esposto vicino alle superfici delle nanostrutture d'oro può essere rimosso finora. Avere grafene ancora nelle strutture non è desiderabile per i dispositivi elettronici, che richiedono un intero spazio tra le strutture. Il team sta lavorando per capire come risolvere questo problema.
Nel futuro, il team vorrebbe anche esplorare modi per variare lo spessore del divario ben definito tra le strutture aumentando il numero di strati di grafene.
"Per le applicazioni ottiche, sarebbe auspicabile avere delle lacune un po' più grandi di quelle che abbiamo generato. Volevamo solo mostrare, in linea di principio, la più piccola dimensione del gap che è possibile raggiungere, " disse Lipomi.
