Questo nanonastro di grafene è stato realizzato dal basso verso l'alto da un precursore molecolare. La larghezza del nanoribbon e gli effetti del bordo influenzano il comportamento elettronico. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti; microscopia a scansione a effetto tunnel di Chuanxu Ma e An-Ping Li
Un nuovo modo per far crescere sottili nastri di grafene, una struttura leggera e resistente di atomi di carbonio dello spessore di un singolo atomo collegati in esagoni, può colmare una lacuna che ha impedito al materiale di raggiungere il suo pieno potenziale nelle applicazioni elettroniche. Nanonastri di grafene, solo miliardesimi di metro di larghezza, mostrano proprietà elettroniche diverse rispetto ai fogli bidimensionali del materiale.
"Il confinamento cambia il comportamento del grafene, " disse An-Ping Li, un fisico presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento di Energia. Il grafene in fogli è un ottimo conduttore elettrico, ma il restringimento del grafene può trasformare il materiale in un semiconduttore se i nastri sono realizzati con una forma del bordo specifica.
Gli sforzi precedenti per realizzare nanonastri di grafene impiegavano un substrato metallico che ostacolava le proprietà elettroniche utili dei nastri.
Ora, gli scienziati dell'ORNL e della North Carolina State University riferiscono sulla rivista Comunicazioni sulla natura che sono i primi a coltivare nanonastri di grafene senza un substrato metallico. Anziché, hanno iniettato portatori di carica che promuovono una reazione chimica che converte un precursore polimerico in un nanonastro di grafene. In siti selezionati, questa nuova tecnica può creare interfacce tra materiali con proprietà elettroniche differenti. Tali interfacce sono la base dei dispositivi elettronici a semiconduttore, dai circuiti integrati e transistor ai diodi emettitori di luce e alle celle solari.
"Il grafene è meraviglioso, ma ha dei limiti, " disse Li. "In larghe lenzuola, non ha un gap energetico, un intervallo di energia in un solido in cui non possono esistere stati elettronici. Ciò significa che non puoi accenderlo o spegnerlo."
Quando viene applicata una tensione a un foglio di grafene in un dispositivo, gli elettroni scorrono liberamente come fanno nei metalli, limitando fortemente l'applicazione del grafene nell'elettronica digitale.
"Quando il grafene diventa molto stretto, crea un gap energetico, " disse Li. "Più il nastro è stretto, più ampio è il divario energetico".
Nasce un nanonastro di grafene. Un microscopio a scansione a effetto tunnel inietta portatori di carica chiamati "buchi" in un precursore polimerico, innescando una reazione chiamata ciclodeidrogenazione in quel sito, creando un luogo specifico in cui si forma un nanonastro di grafene indipendente dal basso verso l'alto. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
In nanonastri di grafene molto stretti, con una larghezza di un nanometro o anche meno, anche il modo in cui le strutture terminano sul bordo del nastro è importante. Per esempio, tagliare il grafene lungo il lato di un esagono crea un bordo che ricorda una poltrona; questo materiale può agire come un semiconduttore. L'asportazione di triangoli dal grafene crea un bordo a zigzag e un materiale con comportamento metallico.
Per far crescere nanonastri di grafene con larghezza controllata e struttura del bordo da precursori polimerici, precedenti ricercatori avevano usato un substrato metallico per catalizzare una reazione chimica. Però, il substrato metallico sopprime gli stati marginali utili e riduce la banda proibita desiderata.
Li e colleghi hanno deciso di sbarazzarsi di questo fastidioso substrato metallico. Presso il Centro per le scienze dei materiali nanofasici, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL, hanno usato la punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel per iniettare portatori di carica negativa (elettroni) o portatori di carica positiva ("buchi") per cercare di innescare la reazione chimica chiave. Hanno scoperto che solo i buchi l'hanno innescato. Successivamente sono stati in grado di creare un nastro largo solo sette atomi di carbonio, largo meno di un nanometro, con bordi nella conformazione a poltrona.
"Abbiamo scoperto il meccanismo fondamentale, questo è, come l'iniezione di carica può abbassare la barriera di reazione per promuovere questa reazione chimica, " disse Li. Muovendo la punta lungo la catena del polimero, i ricercatori hanno potuto selezionare dove hanno attivato questa reazione e convertire un esagono del reticolo di grafene alla volta.
Prossimo, i ricercatori realizzeranno eterogiunzioni con diverse molecole precursori ed esploreranno le funzionalità. Sono anche ansiosi di vedere per quanto tempo gli elettroni possono viaggiare in questi nastri prima di disperdersi, e lo confronterò con un nanonastro di grafene realizzato in un altro modo e noto per condurre gli elettroni estremamente bene. L'uso di elettroni come i fotoni potrebbe fornire la base per un nuovo dispositivo elettronico in grado di trasportare corrente praticamente senza resistenza, anche a temperatura ambiente.
"È un modo per adattare le proprietà fisiche alle applicazioni energetiche, " Li ha detto. "Questo è un ottimo esempio di scrittura diretta. Puoi dirigere il processo di trasformazione a livello molecolare o atomico." Inoltre, il processo potrebbe essere scalato e automatizzato.
Il titolo del documento attuale è "Conversione controllabile di catene polimeriche quasi autonome in nanonastri di grafene".
