In quello che potrebbe rivelarsi un progresso significativo nella fabbricazione di nanodispositivi a base di grafene, un team di ricercatori del Berkeley Lab ha scoperto un nuovo meccanismo per assemblare "isole" molecolari bidimensionali (2D) che potrebbero essere utilizzate per modificare il grafene su scala nanometrica. Queste isole 2D sono composte da molecole F4TCNQ che intrappolano la carica elettrica in modi potenzialmente utili per l'elettronica basata sul grafene.

"Stiamo segnalando uno studio di microscopia a effetto tunnel e microscopia a forza atomica senza contatto delle molecole F4TCNQ sulla superficie del grafene in cui le molecole si fondono in isole 2D ravvicinate, "dice Michael Crommie, un fisico che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di fisica della UC Berkeley. "Le isole risultanti potrebbero essere utilizzate per controllare la densità dei portatori di carica nei substrati di grafene, oltre a modificare il modo in cui gli elettroni si muovono attraverso dispositivi a base di grafene. Potrebbero anche essere usati per formare precisi modelli su nanoscala che mostrano una perfezione strutturale su scala atomica ineguagliata dalle tecniche di fabbricazione convenzionali".

Crommie è uno dei quattro autori corrispondenti di un articolo che descrive questa ricerca pubblicato da ACS Nano . Il documento è intitolato "Auto-assemblaggio molecolare in un ambiente scarsamente schermato:F4TCNQ su grafene/BN". Gli altri autori corrispondenti sono Steven Louie e Marvin Cohen, entrambi con Berkeley Lab e UC Berkeley, e Jiong Lu dell'Università Nazionale di Singapore. (Vedi sotto per un elenco completo dei coautori)

Il grafene è un foglio di carbonio puro dello spessore di un solo atomo attraverso il quale gli elettroni accelerano 100 volte più velocemente di quanto si muovano attraverso il silicio. Il grafene è anche più sottile e resistente del silicio, rendendolo un potenziale materiale superstar per l'industria elettronica. Però, il grafene deve essere drogato elettricamente per regolare il numero di portatori di carica che contiene per essere utile nei dispositivi, e F4TCNQ ha dimostrato di essere un drogante efficace per trasformare il grafene in un semiconduttore di "tipo p".

"F4TCNQ è noto per estrarre elettroni da un substrato, modificando così la densità dei portatori di carica del substrato, " Crommie dice. "Studi precedenti hanno esaminato F4TCNQ adsorbito su grafene supportato da un substrato metallico, che crea un ambiente altamente schermato. F4TCNQ adsorbito su grafene supportato dall'isolante nitruro di boro (BN) crea un ambiente scarsamente schermato. L'abbiamo trovato, a differenza dei metalli, Le molecole F4TCNQ su grafene/BN formano isole 2D tramite un meccanismo di autoassemblaggio unico guidato dalle interazioni Coulomb a lungo raggio tra le molecole cariche. Le molecole con carica negativa si uniscono in un'isola, aumentando la funzione di lavoro locale sopra l'isola e facendo fluire ulteriori elettroni nell'isola. Questi elettroni aggiuntivi fanno diminuire l'energia totale dello strato di grafene, con conseguente coesione dell'isola."

Crommie e i suoi coautori ritengono che questo meccanismo di formazione di isole 2D dovrebbe applicarsi anche ad altri sistemi di adsorbato molecolare che mostrano trasferimento di carica in ambienti scarsamente schermati, aprendo così la porta alla messa a punto delle proprietà degli strati di grafene per le applicazioni dei dispositivi.