Come riportato dal giornale Natura nel suo ultimo numero, ricercatori dell'Empa, l'Istituto Max Planck di Magonza e l'Università tecnica di Dresda sono riusciti per la prima volta a produrre nanonastri di grafene con bordi a zigzag perfetti dalle molecole. Gli elettroni su questi bordi a zigzag mostrano direzioni di rotazione diverse (e accoppiate) ("spin"). Questo potrebbe rendere i nanonastri di grafene il materiale preferito per l'elettronica del futuro, cosiddetta spintronica.

Poiché i componenti elettronici stanno diventando sempre più piccoli, l'industria si sta gradualmente avvicinando ai limiti di ciò che è realizzabile utilizzando l'approccio tradizionale con il silicio come materiale semiconduttore. Grafene, il materiale con una serie di proprietà "miracolose", è considerato un possibile sostituto. Il film di carbonio sottile da un atomo è ultraleggero, estremamente flessibile e altamente conduttivo. Però, per poter utilizzare il grafene per componenti elettronici come i transistor ad effetto di campo, il materiale deve essere "trasformato" in un semiconduttore. Ciò è stato ottenuto dagli scienziati dell'Empa qualche tempo fa utilizzando un metodo di nuova concezione - nel 2010, hanno presentato, per la prima volta, nanonastri di grafene (GNR) larghi solo pochi nanometri con bordi sagomati con precisione. Per questo, i nastri sono stati cresciuti su una superficie metallica da molecole precursori appositamente progettate. Più stretti sono i nastri, maggiore è la loro banda proibita elettronica, ovvero l'intervallo di energia in cui non possono essere localizzati elettroni, che è responsabile di garantire che un interruttore elettronico (ad esempio, un transistor) può essere acceso e spento. I ricercatori dell'Empa sono poi riusciti anche a "drogare" i nanonastri, cioè fornire i nastri con atomi di impurità come l'azoto in determinati punti, per influenzare ancora di più le proprietà elettroniche dei nastri di grafene.

Il progetto perfetto

Nel documento ora pubblicato in Natura , riporta il team Empa guidato da Roman Fasel, insieme ai colleghi del Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz, guidato da Klaus Müllen, e dall'Università Tecnica di Dresda guidata da Xinliang Feng, come è riuscito a sintetizzare GNR con bordi perfettamente zigzagati utilizzando molecole precursori di carbonio adatte e un processo di produzione perfezionato. Gli zigzag seguivano una geometria ben precisa lungo l'asse longitudinale dei nastri. Questo è un passo importante, perché i ricercatori possono così conferire ai nastri di grafene proprietà diverse tramite la geometria dei nastri e soprattutto tramite la struttura dei loro bordi.

Come per la piastrellatura del pavimento, le piastrelle giuste - o molecole precursori - per la sintesi sulla superficie dovevano prima essere trovate per il modello specifico dei nastri di grafene a zigzag. A differenza della chimica organica, che tiene conto della presenza di sottoprodotti nel percorso verso il raggiungimento di una sostanza pura, tutto doveva essere progettato per la sintesi superficiale dei nastri di grafene in modo che fosse prodotto un solo prodotto. Gli scienziati sono passati ripetutamente avanti e indietro tra simulazioni al computer ed esperimenti, al fine di progettare la migliore sintesi possibile. Con molecole a forma di U, che hanno permesso di crescere insieme per formare una forma simile a un serpente, e gruppi metilici aggiuntivi, che completava i bordi a zig zag, i ricercatori sono stati finalmente in grado di creare un "progetto" per GNR con bordi a zigzag perfetti. Per verificare che i bordi a zigzag fossero esatti fino all'atomo, i ricercatori hanno studiato la struttura atomica utilizzando un microscopio a forza atomica (AFM). Inoltre, sono stati in grado di caratterizzare gli stati elettronici dei bordi a zigzag utilizzando la spettroscopia a effetto tunnel (STS).

Utilizzando lo spin interno degli elettroni

E questi mostrano una caratteristica molto promettente. Gli elettroni possono ruotare sia a sinistra che a destra, che prende il nome di spin interno degli elettroni. La particolarità dello zigzag GNR è che, lungo ogni bordo, gli elettroni ruotano tutti nella stessa direzione; un effetto che viene chiamato accoppiamento ferromagnetico. Allo stesso tempo, il cosiddetto accoppiamento antiferromagnetico assicura che gli elettroni sull'altro bordo ruotino tutti nella direzione opposta. Quindi gli elettroni da un lato hanno tutti uno stato di "spin-up" e dall'altro lato hanno tutti uno stato di "spin-down".

Così, due canali di spin indipendenti con "direzioni di marcia" opposte sorgono sui bordi della banda, come una strada con corsie separate. Tramite difetti strutturali volutamente integrati sui bordi o - più elegantemente - tramite la predisposizione di un impianto elettrico, segnale magnetico o ottico dall'esterno, Si possono quindi progettare barriere di spin e filtri di spin che richiedono solo energia per essere accesi e spenti - il precursore di un transistor su scala nanometrica e anche estremamente efficiente dal punto di vista energetico.

Possibilità come questa rendono il GNR estremamente interessante per i dispositivi spintronici; questi usano sia la carica che lo spin degli elettroni. Questa combinazione sta spingendo gli scienziati a prevedere componenti completamente nuovi, per esempio. dispositivi di memorizzazione di dati magnetici indirizzabili che mantengono le informazioni che sono state immesse anche dopo che l'alimentazione è stata spenta.