Il grafene è stato generalmente descritto come una struttura bidimensionale, un singolo foglio di atomi di carbonio disposti in una struttura regolare, ma la realtà non è così semplice. In realtà, il grafene può formare rughe che ne complicano la struttura, potenzialmente applicato ai sistemi di dispositivi. Il grafene può interagire anche con il substrato su cui è posato, aggiungendo ulteriore complessità.

In una ricerca pubblicata in Comunicazioni sulla natura , Gli scienziati RIKEN hanno ora scoperto che le rughe nel grafene possono limitare il movimento degli elettroni a una dimensione, formando una struttura simile a una giunzione che cambia da conduttore a distanza zero a semiconduttore di nuovo a conduttore a distanza zero. Inoltre, hanno usato la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel per manipolare la formazione di rughe, aprendo la strada alla costruzione di semiconduttori di grafene non attraverso mezzi chimici, aggiungendo altri elementi, ma manipolando la stessa struttura del carbonio in una forma di "ingegneria del grafene".

La scoperta è iniziata quando il gruppo stava sperimentando la creazione di film di grafene utilizzando la deposizione chimica da vapore, che è considerato il metodo più affidabile. Stavano lavorando per formare grafene su un substrato di nichel, ma il successo di questo metodo dipende molto dalla temperatura e dalla velocità di raffreddamento.

Secondo Hyunseob Lim, il primo autore del saggio, "Stavamo cercando di far crescere il grafene su un singolo substrato di nichel cristallino, ma in molti casi abbiamo finito per creare un composto di nichel e carbonio, Ni2C, piuttosto che grafene. Per risolvere il problema, abbiamo provato a raffreddare velocemente il campione dopo il dosaggio con acetilene, e durante quel processo abbiamo trovato per caso piccole nanorughe, largo appena cinque nanometri, nel campione".

Sono stati in grado di visualizzare queste minuscole rughe utilizzando la microscopia a effetto tunnel, e scoprì che c'erano delle aperture di banda passante al loro interno, indicando che le rughe potrebbero agire come semiconduttori. Normalmente gli elettroni e le lacune di elettroni scorrono liberamente attraverso un conduttore senza banda proibita, ma quando si tratta di un semiconduttore ci sono intervalli di banda tra gli stati di elettroni consentiti, e gli elettroni possono passare attraverso queste lacune solo in determinate condizioni. Ciò indica che il grafene potrebbe, a seconda delle rughe, diventare un semiconduttore.

Inizialmente hanno considerato due possibilità per l'emergere di questo gap di banda. Uno è che la deformazione meccanica potrebbe causare un fenomeno magnetico, ma l'hanno escluso e concluse che il fenomeno era causato dal confinamento di elettroni in un'unica dimensione dovuto al "confinamento quantistico".

Secondo Yousoo Kim, capo del laboratorio di scienze delle superfici e delle interfacce, che guidava la squadra, "Fino ad ora, gli sforzi per manipolare le proprietà elettroniche del grafene sono stati fatti principalmente attraverso mezzi chimici, ma lo svantaggio è che può portare a proprietà elettroniche degradate a causa di difetti chimici. Qui abbiamo mostrato che le proprietà elettroniche possono essere manipolate semplicemente cambiando la forma della struttura del carbonio. Sarà emozionante vedere se questo potrebbe portare a modi per trovare nuovi usi per il grafene".