Nastri di grafene larghi solo pochi atomi, i cosiddetti nanonastri di grafene, hanno proprietà elettriche speciali che li rendono candidati promettenti per la nanoelettronica del futuro. Mentre il grafene, uno strato di carbonio unidimensionale, è un materiale conduttivo, può diventare un semiconduttore sotto forma di nanonastri. Ciò significa che ha un'energia o un gap di banda sufficientemente grande in cui non possono esistere stati di elettroni:può essere acceso e spento, e quindi può diventare un componente chiave dei nanotransistor.

I più piccoli dettagli nella struttura atomica di queste bande di grafene, però, avere effetti enormi sulla dimensione del gap energetico, e quindi su quanto siano adatti i nanonastri come componenti dei transistor. Da una parte, lo spazio dipende dalla larghezza dei nastri di grafene, mentre d'altra parte dipende dalla struttura dei bordi. Poiché il grafene è costituito da esagoni equilateri di carbonio, il bordo può avere una forma a zigzag o cosiddetta a poltrona, a seconda dell'orientamento dei nastri. Mentre le bande con un bordo a zigzag si comportano come metalli, cioè sono conduttivi, diventano semiconduttori con il bordo della poltrona.

Ciò rappresenta una sfida importante per la produzione di nanonastri. Se i nastri vengono tagliati da uno strato di grafene o realizzati tagliando nanotubi di carbonio, i bordi possono essere irregolari, e quindi, i nastri di grafene potrebbero non presentare le proprietà elettriche desiderate.

Creare un semiconduttore con nove atomi

I ricercatori dell'Empa in collaborazione con il Max Planck Institute for Polymer Research di Mainz e l'Università della California a Berkeley sono ora riusciti a far crescere nastri larghi esattamente nove atomi con un bordo regolare della poltrona da molecole precursori. A tale scopo, le molecole appositamente preparate vengono evaporate in un vuoto ultraelevato. Dopo diverse fasi del processo, sono combinati come pezzi di un puzzle su una base d'oro per formare i nanonastri desiderati di circa un nanometro di larghezza e fino a 50 nanometri di lunghezza.

Queste strutture, che può essere visto solo con un microscopio a scansione a effetto tunnel, ora hanno un gap energetico relativamente ampio e definito con precisione. Ciò ha permesso ai ricercatori di fare un passo avanti e di integrare i nastri di grafene nei nanotransistor. Inizialmente, però, i primi tentativi non ebbero molto successo. Le misurazioni hanno mostrato che la differenza nel flusso di corrente tra lo stato "ON" (cioè con tensione applicata) e lo stato "OFF" (senza tensione applicata) era troppo piccola. Il problema era lo strato dielettrico di ossido di silicio che collega gli strati semiconduttori al contatto dell'interruttore elettrico. Per avere le proprietà desiderate, doveva avere uno spessore di 50 nanometri, quale, a sua volta, influenzato il comportamento degli elettroni.

Però, i ricercatori sono successivamente riusciti a ridurre in modo massiccio questo strato utilizzando l'ossido di afnio (HfO2) invece dell'ossido di silicio come materiale dielettrico. Perciò, lo strato è ora sottile solo 1,5 nanometri e la corrente "accesa" è di ordini di grandezza superiore.

Un altro problema era l'incorporazione di nastri di grafene nel transistor. Nel futuro, i nastri non dovrebbero più essere posizionati incrociati sul substrato del transistor, ma piuttosto allineato esattamente lungo il canale del transistor. Ciò ridurrebbe significativamente il livello attualmente elevato di nanotransistor non funzionanti.