In quello che potrebbe rivelarsi un progresso significativo nella fabbricazione di nuove tecnologie, gli scienziati hanno scoperto un nuovo meccanismo di autoassemblaggio che spinge sorprendentemente molecole cariche negativamente ad aggregarsi per formare isole quando il grafene è supportato da un isolante elettrico. In queste condizioni, le diverse interazioni di carica non sono diminuite, come lo sono quando il grafene è supportato da un substrato metallico. A basse concentrazioni, le singole molecole adsorbite si respingono, ma con l'aumentare della concentrazione, le molecole formano isole bidimensionali. È stato determinato dalla teoria che il flusso di elettroni extra nelle isole dal grafene tiene insieme le molecole. Le forze motrici elettroniche e le energie di stabilizzazione sono sufficienti per superare la repulsione tra le cariche negative.

Questo meccanismo di autoassemblaggio può essere utilizzato per mettere a punto le proprietà elettroniche degli strati di grafene nei dispositivi e controllare il modo in cui gli elettroni fluiscono attraverso il grafene. Questo meccanismo consente la modellazione su scala atomica delle proprietà elettroniche, che non può essere ottenuto con le tecniche litografiche convenzionali attualmente utilizzate nell'industria dei semiconduttori.

Il silicio ha avuto successo perché è un materiale semiconduttore sintonizzabile elettronicamente che può essere utilizzato nei dispositivi elettronici. Il grafene presenta vantaggi distinti rispetto al silicio per molte applicazioni grazie alla sua maggiore mobilità degli elettroni e a una struttura cristallina molto stabile, ma può essere difficile sintonizzare con precisione. Un modo per regolare le proprietà elettroniche del grafene consiste nell'adsorbire molecole sulla sua superficie. Per esempio, molecole cariche negativamente su una superficie di grafene attirano elettroni dallo strato di grafene, modificandone le proprietà elettroniche. Però, gli sforzi per assemblare in modo controllabile tali molecole con carica negativa sono stati limitati perché le specie con carica negativa si respingono a vicenda. Ora gli scienziati guidati dall'Università della California-Berkeley e dal Lawrence Berkeley National Laboratory hanno scoperto che questa repulsione può essere superata e che le isole bidimensionali possono essere formate in modo controllabile da molecole cariche negativamente su grafene supportate da un isolante. Attraverso la microscopia e la modellazione teorica, hanno determinato che l'isolante sottostante era la chiave per alterare la natura delle interazioni tra le molecole caricate negativamente e il grafene. Queste molecole sono note per estrarre elettroni dal suo substrato. A basse concentrazioni superficiali, le molecole cariche negativamente accettano separatamente gli elettroni dal sottostante grafene e si respingono a vicenda, come previsto perché cariche simili si respingono.

Sorprendentemente e controintuitivamente, a concentrazioni più elevate, queste molecole cariche si aggregano per formare isole ordinate. Questo comportamento abituale è spiegato dalla teoria come la donazione di elettroni in più alle isole di molecole da parte del grafene rispetto alla donazione a una singola molecola. Questa carica in più rende energeticamente più favorevole alla formazione di isole. Sorprendentemente, questo comportamento osservato su substrato di grafene supportato da un isolante non si verifica quando il grafene è supportato da un metallo. Questo autoassemblaggio molecolare fornisce una possibile alternativa al patterning del grafene utilizzando tecniche litografiche convenzionali. La regolazione su scala atomica delle proprietà degli strati di grafene potrebbe consentire la fabbricazione di nuovi dispositivi basati sul grafene che non possono essere realizzati utilizzando il silicio.