Un team di ricerca internazionale presso l'Advanced Institute of Materials Research (AIMR) dell'Università di Tohoku è riuscito a interconnettere chimicamente nanonastri di grafene (GNR) a bordo chirale con caratteristiche a zigzag mediante assemblaggio molecolare, e ha dimostrato la connessione elettronica tra i GNR. I GNR erano interconnessi esclusivamente end to end, formare strutture a gomito, individuati come punti di interconnessione (Fig. 1a).

Questa configurazione ha permesso ai ricercatori di dimostrare che l'architettura elettronica nei punti di interconnessione tra due GNR (Fig. 1b) è la stessa di quella lungo i singoli GNR; prova che le proprietà elettroniche GNR, come elettroni e conducibilità termica, sono estesi direttamente attraverso le strutture a gomito su interconnessione chimica GNR.

Questo lavoro mostra che lo sviluppo futuro di alte prestazioni, è possibile un'elettronica a basso consumo basata su GNR.

Ci si aspettava da tempo che il grafene avrebbe rivoluzionato l'elettronica, a condizione che possa essere tagliato in forme atomicamente precise che sono collegate agli elettrodi desiderati. Però, mentre gli attuali metodi di fabbricazione dal basso verso l'alto possono controllare le proprietà elettroniche del grafene, come l'elevata mobilità degli elettroni, spazi tra le bande su misura e bordi a zigzag allineati con spilli, l'aspetto della connessione delle strutture del grafene non è mai stato esplorato direttamente. Per esempio, se gli elettroni che viaggiano attraverso i punti di interconnessione di due GNR incontrino una maggiore resistenza elettrica rimane una questione aperta. Poiché le risposte a questo tipo di domande sono cruciali per la realizzazione della futura alta velocità, elettronica a basso consumo, usiamo l'assemblaggio molecolare per affrontare questo problema qui.

"Gli attuali assemblaggi molecolari producono GNR diretti (cioè, senza punti di interconnessione identificabili), o GNR interconnessi casualmente, "dice il dottor Patrick Han, il capo progetto. "Queste modalità di crescita hanno troppe incognite intrinseche per determinare se gli elettroni viaggiano senza problemi attraverso i punti di interconnessione del grafene. La chiave è progettare un assemblaggio molecolare che produca GNR che siano sistematicamente interconnessi con punti di interconnessione chiaramente distinguibili".

Per raggiungere questo obiettivo, il team AIMR ha utilizzato un substrato di Cu, la cui reattività confina la crescita del GNR in sei direzioni, e ha utilizzato la microscopia a effetto tunnel (STM) per visualizzare le strutture elettroniche GNR. Controllando la copertura molecolare del precursore, questo assemblaggio molecolare collega i GNR da diverse direzioni di crescita sistematicamente da un capo all'altro, producendo strutture a gomito, identificate come punti di interconnessione (Fig. 1a). Utilizzando STM, il team AIMR ha rivelato che la delocalizzazione degli stati GNR π* interconnessi si estende allo stesso modo sia attraverso un singolo GNR rettilineo, e attraverso il punto di interconnessione di due GNR (caratteristiche periodiche in Fig. 1b, pannello inferiore). Questo risultato indica che le proprietà elettroniche GNR, come elettroni e conducibilità termica, dovrebbe essere lo stesso ai capi dei singoli GNR e quello di due GNR connessi.

"La scoperta principale di questo lavoro è che i GNR interconnessi non mostrano interruzioni elettroniche (ad es. localizzazione di elettroni che aumenta la resistenza nei punti di interconnessione), " dice Han. "L'interconnessione elettronicamente fluida dimostra che le proprietà GNR (inclusi i band gap su misura, o anche bordi a zigzag allineati allo spin) possono essere collegati ad altre strutture di grafene. Questi risultati mostrano che trovare un modo per collegare GNR privi di difetti agli elettrodi desiderati può essere la strategia chiave per ottenere prestazioni elevate, elettronica a basso consumo."