Per 15 anni, gli scienziati hanno cercato di sfruttare il grafene "materiale miracoloso" per produrre elettronica su scala nanometrica. Su carta, il grafene dovrebbe essere ottimo proprio per questo:è ultrasottile, spesso solo un atomo e quindi bidimensionale, è ottimo per condurre corrente elettrica, e rappresenta una grande promessa per le future forme di elettronica che sono più veloci e più efficienti dal punto di vista energetico. Inoltre, il grafene è costituito da atomi di carbonio – di cui abbiamo una scorta illimitata.

In teoria, il grafene può essere modificato per eseguire molti compiti diversi all'interno, ad es. elettronica, fotonica o sensori semplicemente tagliando piccoli modelli in esso, poiché questo altera sostanzialmente le sue proprietà quantistiche. Un compito "semplice", che si è rivelato sorprendentemente difficile, consiste nell'indurre un gap di banda, cruciale per la fabbricazione di transistor e dispositivi optoelettronici. Però, poiché il grafene è spesso solo un atomo, tutti gli atomi sono importanti e anche piccole irregolarità nel modello possono distruggerne le proprietà.

"Il grafene è un materiale fantastico, che penso giocherà un ruolo cruciale nella creazione di nuova elettronica su scala nanometrica. Il problema è che è estremamente difficile progettare le proprietà elettriche, "dice Peter Bøggild, professore presso DTU Fisica.

Il Center for Nanostructured Grapheneat DTU e l'Università di Aalborg sono stati istituiti nel 2012 appositamente per studiare come le proprietà elettriche del grafene possono essere adattate modificandone la forma su scala estremamente ridotta. Quando si modella effettivamente il grafene, il team di ricercatori di DTU e Aalborg ha sperimentato la stessa esperienza di altri ricercatori in tutto il mondo:non ha funzionato.

"Quando crei modelli in un materiale come il grafene, lo fai per modificarne le proprietà in modo controllato, in modo che corrispondano al tuo design. Però, quello che abbiamo visto nel corso degli anni è che possiamo fare i buchi, ma non senza introdurre tanto disordine e contaminazione da non comportarsi più come il grafene. È un po' come realizzare una tubatura dell'acqua parzialmente ostruita a causa di una produzione scadente. All'esterno, potrebbe andare bene, ma l'acqua non può scorrere liberamente. Per l'elettronica, questo è ovviamente disastroso, " dice Peter Bøggild.

Ora, il team di scienziati ha risolto il problema. I risultati sono pubblicati in Nanotecnologia della natura .Due postdoc di DTU Physics, Bjarke Jessen e Lene Gammelgaard, primo grafene incapsulato all'interno di un altro materiale bidimensionale:nitruro di boro esagonale, un materiale non conduttivo che viene spesso utilizzato per proteggere le proprietà del grafene.

Prossimo, hanno usato una tecnica chiamata litografia a fascio di elettroni per modellare accuratamente lo strato protettivo di nitruro di boro e grafene sottostante con una fitta serie di fori ultra piccoli. I fori hanno un diametro di ca. 20 nanometri, con appena 12 nanometri tra loro, tuttavia, la rugosità al bordo dei fori è inferiore a 1 nanometro, o un miliardesimo di metro. Ciò consente il flusso di una corrente elettrica 1000 volte superiore a quella riportata in strutture di grafene così piccole. E non solo.

"Abbiamo dimostrato che possiamo controllare la struttura della banda del grafene e progettare come dovrebbe comportarsi. Quando controlliamo la struttura della banda, abbiamo accesso a tutte le proprietà del grafene - e abbiamo scoperto con nostra sorpresa che alcuni degli effetti elettronici quantistici più sottili sopravvivono al modello denso - questo è estremamente incoraggiante. Il nostro lavoro suggerisce che possiamo sederci davanti al computer e progettare componenti e dispositivi, o sognare qualcosa di completamente nuovo, e poi andare in laboratorio e realizzarli nella pratica, " dice Peter Bøggild. E continua:

"Molti scienziati avevano da tempo abbandonato il tentativo di nanolitografia in grafene su questa scala, ed è un vero peccato, poiché la nanostrutturazione è uno strumento cruciale per sfruttare le caratteristiche più interessanti dell'elettronica e della fotonica del grafene. Ora abbiamo capito come si può fare; si potrebbe dire che la maledizione è tolta. Ci sono altre sfide, ma il fatto che possiamo personalizzare le proprietà elettroniche del grafene è un grande passo avanti verso la creazione di nuova elettronica con dimensioni estremamente ridotte, " dice Peter Bøggild.