Ricercatori russi hanno proposto un nuovo metodo per sintetizzare nanonastri di grafene di alta qualità, un materiale con potenziali applicazioni nell'elettronica flessibile, celle solari, LED, laser, e altro ancora. Presentato in Il Giornale di Chimica Fisica C , l'approccio originale alla deposizione chimica da vapore, offre una resa maggiore a un costo inferiore, rispetto all'autoassemblaggio dei nanonastri attualmente utilizzato su substrati di metalli nobili.

L'elettronica a base di silicio si sta avvicinando costantemente ai propri limiti, e ci si chiede quale materiale potrebbe dare ai nostri dispositivi la prossima grande spinta. Grafene, il foglio 2-D di atomi di carbonio, viene in mente ma per tutte le sue celebri proprietà elettroniche, non ha quello che serve:a differenza del silicio, il grafene non ha la capacità di passare da uno stato conduttivo a uno non conduttivo. Questa caratteristica distintiva dei semiconduttori come il silicio è cruciale per la creazione di transistor, che sono alla base di tutta l'elettronica.

Però, una volta tagliato il grafene in nastri stretti, acquisiscono proprietà semiconduttive, purché i bordi abbiano la giusta geometria e non vi siano difetti strutturali. Tali nanonastri sono già stati utilizzati in transistor sperimentali con caratteristiche ragionevolmente buone, e l'elasticità del materiale consente di rendere flessibili i dispositivi. Sebbene sia tecnologicamente difficile integrare materiali 2-D con l'elettronica 3-D, non ci sono ragioni fondamentali per cui i nanonastri non potrebbero sostituire il silicio.

Un modo più pratico per ottenere nanonastri di grafene non è tagliare fogli o nanotubi di grafene ma viceversa, facendo crescere il materiale atomo per atomo. Questo approccio è noto come sintesi dal basso verso l'alto, e a differenza della sua controparte top-down, rende strutturalmente perfetto, e quindi tecnologicamente utili, nanonastri. Il metodo attualmente dominante per la sintesi dal basso verso l'alto, noto come autoassemblaggio, è costoso e difficile da scalare per la produzione industriale, quindi gli scienziati dei materiali stanno cercando alternative ad esso.

"I nanonastri di grafene sono un materiale le cui proprietà sono di interesse per la scienza fondamentale e promettono applicazioni in tutti i tipi di dispositivi futuristici. Tuttavia, la tecnica standard per la sua sintesi presenta alcuni inconvenienti, " ha spiegato Pavel Fedotov, un ricercatore senior presso il MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials. "Mantenere il vuoto ultraelevato e utilizzare un substrato d'oro è molto costoso, e la produzione di materiale è relativamente bassa."

"I miei colleghi e io abbiamo proposto un modo alternativo per sintetizzare nanonastri atomicamente impeccabili. Non solo funziona sotto vuoto normale e con il substrato di nichel molto più economico, la resa aumenta in virtù del fatto che i nanonastri vengono prodotti come film multistrato, piuttosto che individualmente. Per separare questi film in nastri monostrato, vengono messi in sospensione, " ha proseguito il ricercatore. "È importante che niente di tutto ciò compromette la qualità del materiale. Abbiamo confermato l'assenza di difetti ottenendo i profili di diffusione Raman appropriati e osservando la fotoluminescenza dei nostri nanonastri".

I nanonastri di grafene sono disponibili in diversi tipi, e quelli che gli scienziati russi hanno fabbricato usando la loro tecnica di deposizione chimica da vapore originale hanno la struttura rappresentata a destra nella figura. Sono larghe sette atomi e hanno bordi che qualcuno ha trovato ricorda una poltrona, da qui il nome:nanonastri di grafene 7-A. Questo tipo di nanonastri ha le proprietà semiconduttive preziose per l'elettronica, a differenza del cugino 7-Z con bordi a zigzag (mostrato a sinistra), che si comporta come un metallo.

La sintesi avviene in un tubo di vetro ermetico evacuato a un milionesimo della pressione atmosferica standard, che è ancora 10, 000 volte superiore al vuoto ultraelevato normalmente richiesto per l'autoassemblaggio dei nanonastri. Il reagente iniziale utilizzato è una sostanza solida contenente carbonio, idrogeno, e bromo e noto come DBBA. Viene inserito nel tubo con un foglio di nichel, prericotto a 1, 000 gradi Celsius per rimuovere la pellicola di ossido. Il tubo di vetro con DBBA viene quindi sottoposto a trattamento termico per diverse ore in due fasi:prima a 190 C, poi a 380 C. Il primo riscaldamento porta alla formazione di lunghe molecole polimeriche, e durante la seconda fase, si trasformano in nanonastri con struttura atomicamente precisa, densamente confezionato in film fino a 1, 000 nanometri di spessore.

Dopo aver ottenuto i film, i ricercatori li hanno sospesi in una soluzione e li hanno esposti agli ultrasuoni, rompendo le "pile" multistrato in nanonastri di carbonio dello spessore di un atomo. I solventi utilizzati sono clorobenzene e toluene. Esperimenti precedenti hanno dimostrato che queste sostanze chimiche sono ottimali per sospendere i nanonastri in modo stabile, prevenendo l'aggregazione in cataste e la comparsa di difetti strutturali. Anche il controllo qualità Nanoribbon è stato effettuato in sospensione, tramite metodi ottici:l'analisi dei dati di diffusione Raman e fotoluminescenza ha confermato che il materiale non presentava difetti significativi.

Poiché la nuova tecnologia di sintesi per la produzione di nanonastri di carbonio 7-A multistrato senza difetti è relativamente economica e facile da scalare, è un passo importante verso l'introduzione di quel materiale nella produzione su larga scala di dispositivi elettronici e ottici che alla fine supereranno ampiamente quelli esistenti oggi.

"L'esperienza mostra che una volta scoperto un nuovo materiale di carbonio, ciò significa nuove proprietà e nuove applicazioni. E i nanonastri di grafene non erano diversi, " il capo del Laboratorio MIPT di Materiali Nanocarbonici, Ha ricordato Elena Obraztsova. "Inizialmente, i nanonastri sono stati sintetizzati all'interno di nanotubi di carbonio a parete singola, che serviva a limitare la larghezza del nastro. È stato su questi nanonastri incorporati che la luminescenza è stata originariamente dimostrata, con i suoi parametri che variano con la geometria dei nanotubi."

"Il nostro nuovo approccio, la deposizione di vapore chimico dal basso verso l'alto, consente di produrre nastri di grafene ultrasottili in grandi quantità e in condizioni abbastanza miti:vuoto moderato, substrato di nichel. Il materiale risultante mostra una brillante fotoluminescenza eccitonica. È promettente per molte applicazioni in ottica non lineare, che andremo a perseguire, " ha aggiunto il ricercatore.