Un team internazionale di scienziati multi-istituzionali ha sintetizzato nanonastri di grafene, strisce ultrasottili di atomi di carbonio, su una superficie di biossido di titanio utilizzando un metodo atomicamente preciso che rimuove una barriera per nanostrutture di carbonio progettate su misura necessarie per le scienze dell'informazione quantistica.

Il grafene è composto da strati di carbonio dello spessore di un singolo atomo che assumono un peso ultraleggero, caratteristiche meccaniche conduttive ed estremamente resistenti. Il materiale comunemente studiato promette di trasformare l'elettronica e la scienza dell'informazione grazie alla sua elettronica altamente sintonizzabile, proprietà ottiche e di trasporto.

Quando modellati in nanonastri, il grafene potrebbe essere applicato in dispositivi su scala nanometrica; però, la mancanza di precisione su scala atomica nell'uso degli attuali metodi sintetici "top-down" all'avanguardia - tagliare un foglio di grafene in strisce sottili come un atomo - ostacola l'uso pratico del grafene.

I ricercatori hanno sviluppato un approccio "dal basso verso l'alto", costruendo il nanonastro di grafene direttamente a livello atomico in modo che possa essere utilizzato in applicazioni specifiche, che è stato ideato e realizzato presso il Center for Nanophase Materials Sciences, o CNMS, situato presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia.

Questo metodo di assoluta precisione ha contribuito a mantenere le preziose proprietà dei monostrati di grafene poiché i segmenti di grafene diventano sempre più piccoli. Solo uno o due atomi di differenza di larghezza possono cambiare drasticamente le proprietà del sistema, trasformando un nastro semiconduttore in un nastro metallico. I risultati della squadra sono stati descritti in Scienza .

Marek Kolmer dell'ORNL, An-Ping Li e Wonhee Ko del gruppo Scanning Tunneling Microscopy del CNMS hanno collaborato al progetto con ricercatori di Espeem, una società di ricerca privata, e diverse istituzioni europee:Friedrich Alexander University Erlangen-Norimberga, Università Jagellonica e Università Martin Luther Halle-Wittenberg.

L'esperienza unica di ORNL nella microscopia a scansione di tunnel è stata fondamentale per il successo del team, sia nella manipolazione del materiale precursore che nella verifica dei risultati.

"Questi microscopi consentono di visualizzare e manipolare direttamente la materia su scala atomica, "Kolmer, un borsista post-dottorato e l'autore principale del documento, disse. "La punta dell'ago è così sottile che ha essenzialmente le dimensioni di un singolo atomo. Il microscopio si muove linea per linea e misura costantemente l'interazione tra l'ago e la superficie e produce una mappa atomicamente precisa della struttura superficiale".

In precedenti esperimenti sui nanonastri di grafene, il materiale è stato sintetizzato su un substrato metallico, che inevitabilmente sopprime le proprietà elettroniche dei nanonastri.

"Il fatto che le proprietà elettroniche di questi nastri funzionino come previsto è l'intera storia. Da un punto di vista applicativo, l'uso di un substrato metallico non è utile perché scherma le proprietà, " ha detto Kolmer. "È una grande sfida in questo campo:come possiamo disaccoppiare efficacemente la rete di molecole da trasferire a un transistor?"

L'attuale approccio di disaccoppiamento comporta la rimozione del sistema dalle condizioni di ultra alto vuoto e il suo passaggio attraverso un processo di chimica umida a più fasi, che richiede l'incisione del substrato metallico. Questo processo contraddice l'attento, precisione pulita utilizzata nella creazione del sistema.

Per trovare un processo che funzioni su un substrato non metallico, Kolmer iniziò a sperimentare con superfici di ossido, imitando le strategie usate sul metallo. Infine, si rivolse a un gruppo di chimici europei specializzati nella chimica del fluoroarene e iniziò a studiare un progetto per un precursore chimico che avrebbe consentito la sintesi direttamente sulla superficie del biossido di titanio rutilo.

"La sintesi in superficie ci consente di realizzare materiali con altissima precisione e per ottenere ciò, abbiamo iniziato con precursori molecolari, "Li, un autore senior del documento che ha guidato il team del CNMS, disse. "Le reazioni di cui avevamo bisogno per ottenere determinate proprietà sono essenzialmente programmate nel precursore. Conosciamo la temperatura alla quale si verificherà una reazione e regolando le temperature possiamo controllare la sequenza delle reazioni".

"Un altro vantaggio della sintesi in superficie è l'ampio pool di materiali candidati che possono essere utilizzati come precursori, consentendo un alto livello di programmabilità, "Li ha aggiunto.

L'applicazione precisa di sostanze chimiche per disaccoppiare il sistema ha anche aiutato a mantenere una struttura a guscio aperto, consentendo ai ricercatori l'accesso a livello di atomo per costruire e studiare molecole con proprietà quantistiche uniche. "È stato particolarmente gratificante scoprire che questi nastri di grafene hanno accoppiato stati magnetici, chiamati anche stati di spin quantistico, alle loro estremità, " Li ha detto. "Questi stati ci forniscono una piattaforma per studiare le interazioni magnetiche, con la speranza di creare qubit per applicazioni nella scienza dell'informazione quantistica." Poiché c'è poco disturbo alle interazioni magnetiche nei materiali molecolari a base di carbonio, questo metodo consente di programmare stati magnetici di lunga durata dall'interno del materiale.

Il loro approccio crea un nastro di alta precisione, disaccoppiato dal substrato, che è auspicabile per le applicazioni di scienza dell'informazione spintronica e quantistica. Il sistema risultante è ideale per essere esplorato e sviluppato ulteriormente, possibilmente come un transistor su scala nanometrica in quanto ha un ampio bandgap, attraverso lo spazio tra gli stati elettronici necessario per trasmettere un segnale on/off.