Nanonastri di grafene (GNR), sottili strisce di grafene monostrato, avere un fisico interessante, elettrico, termico, e proprietà ottiche a causa dell'interazione tra le loro strutture cristalline ed elettroniche. Queste nuove caratteristiche li hanno spinti in prima linea nella ricerca di modi per far progredire le nanotecnologie di prossima generazione.

Mentre le tecniche di fabbricazione dal basso verso l'alto consentono ora la sintesi di un'ampia gamma di nanonastri di grafene che presentano geometrie dei bordi ben definite, larghezze, e incorporazioni di eteroatomi, la questione se il disordine strutturale sia presente o meno in questi GNR atomicamente precisi, e fino a che punto, è ancora oggetto di dibattito. La risposta a questo indovinello è di importanza fondamentale per qualsiasi potenziale applicazione o dispositivo risultante.

La collaborazione tra il gruppo di teoria della fisica della materia condensata computazionale di Oleg Yazyev presso l'EPFL e il laboratorio sperimentale nanotech@surfaces di Roman Fasel presso l'Empa ha prodotto due articoli che esaminano questo problema in nastri di grafene con bordi a poltrona ea zigzag.

"È noto che le imperfezioni giocano un ruolo importante nella formazione di una serie di funzionalità nei cristalli, " disse Michele Pizzochero, già un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Oleg Yazyev all'EPFL e ora ricercatore post-dottorato all'Università di Harvard. "In questi giornali, abbiamo rivelato onnipresenti "morso" difetti, vale a dire gruppi mancanti di atomi di carbonio, come il principale tipo di disordine strutturale nei nanonastri di grafene fabbricati tramite sintesi sulla superficie. Sebbene abbiamo scoperto che i difetti del morso degradano le prestazioni dei dispositivi elettronici basati su nanonastri di grafene, in alcuni casi queste imperfezioni possono offrire interessanti opportunità per applicazioni spintroniche grazie alle loro peculiari proprietà magnetiche."

Nanonastri di grafene da poltrona

L'articolo "Trasporto elettronico quantistico attraverso i difetti del "morso" nei nanonastri di grafene, " recentemente pubblicato in Materiali 2D , esamina specificamente i nanonastri di grafene a poltrona larghi 9 atomi (9-AGNR). La robustezza meccanica, stabilità a lungo termine in condizioni ambientali, facile trasferibilità su substrati target, scalabilità di fabbricazione, e un'adeguata larghezza di banda proibita di questi GNR li ha resi uno dei candidati più promettenti per l'integrazione come canali attivi nei transistor ad effetto di campo (FET). Infatti, tra i dispositivi elettronici a base di grafene realizzati finora, I 9-AGNR-FET mostrano le prestazioni più elevate.

Sebbene sia ben noto il ruolo dannoso dei difetti sui dispositivi elettronici, barriere Schottky, potenziali barriere energetiche per gli elettroni formati nelle giunzioni metallo-semiconduttore, entrambi limitano le prestazioni degli attuali GNR-FET e impediscono la caratterizzazione sperimentale dell'impatto dei difetti sulle prestazioni del dispositivo. Nel Materiali 2D carta, i ricercatori combinano approcci sperimentali e teorici per studiare i difetti negli AGNR bottom-up.

Le microscopie a scansione di tunnel e a forza atomica hanno prima permesso ai ricercatori di identificare gli anelli di benzene mancanti ai bordi come un difetto molto comune in 9-AGNR e di stimare sia la densità che la distribuzione spaziale di queste imperfezioni, che hanno soprannominato "morso" difetti. Hanno quantificato la densità e hanno scoperto che hanno una forte tendenza ad aggregarsi. I ricercatori hanno quindi utilizzato i calcoli dei principi primi per esplorare l'effetto di tali difetti sul trasporto di carica quantistica, trovando che queste imperfezioni lo interrompono significativamente ai bordi della banda riducendo la conduttanza.

Questi risultati teorici vengono quindi generalizzati a nanonastri più ampi in modo sistematico, consentendo ai ricercatori di stabilire linee guida pratiche per ridurre al minimo il ruolo dannoso di questi difetti sul trasporto di carica, un passo strumentale verso la realizzazione di nuovi dispositivi elettronici a base di carbonio.

Nanonastri di grafene a zig-zag

Nel documento "Edge Disorder in bottom-up zigzag grafene nanoribbons:implicazioni per il magnetismo e il trasporto elettronico quantistico, " recentemente pubblicato su The Journal of Physical Chemistry Letters , lo stesso team di ricercatori combina esperimenti di microscopia a scansione di sonda e calcoli dei primi principi per esaminare il disordine strutturale e il suo effetto sul magnetismo e sul trasporto elettronico nei cosiddetti GNR a zigzag (ZGNR) bottom-up.

Gli ZGNR sono unici a causa del loro ordine magnetico non convenzionale privo di metalli che, secondo le previsioni, si conserva fino a temperatura ambiente. Possiedono momenti magnetici che sono accoppiati ferromagneticamente lungo il bordo e antiferromagneticamente attraverso di esso ed è stato dimostrato che le strutture elettroniche e magnetiche possono essere modulate in larga misura da, Per esempio, accusa di doping, campi elettrici, deformazioni reticolari, o ingegneria dei difetti. La combinazione di correlazioni magnetiche sintonizzabili, la notevole larghezza del gap di banda e le deboli interazioni spin-orbita hanno reso questi GNR candidati promettenti per operazioni logiche di spin. Lo studio esamina specificamente i nanonastri di grafene a sei linee a zigzag (6-ZGNR), l'unica larghezza di ZGNR che è stata raggiunta finora con un approccio dal basso verso l'alto.

Usando ancora una volta il tunneling a scansione e le microscopie a forza atomica, i ricercatori prima identificano la presenza di onnipresenti difetti di vacanza del carbonio situati ai bordi dei nanonastri e quindi risolvono la loro struttura atomica. I loro risultati indicano che ogni posto vacante comprende un'unità m-xilene mancante, questo è, un altro difetto da "morso", quale, come con quelli visti negli AGNR, deriva dalla scissione del legame C-C che avviene durante il processo di ciclodeidrogenazione della reazione. I ricercatori stimano che la densità dei difetti "morso" nei 6-ZGNR sia maggiore di quella dei difetti equivalenti negli AGNR bottom-up.

L'effetto di questi difetti del morso sulla struttura elettronica e le proprietà di trasporto quantistico di 6-ZGNR è di nuovo esaminato teoricamente. Scoprono che l'introduzione del difetto, analogamente agli AGNR, provoca una significativa interruzione della conduttanza. Per di più, in questa nanostruttura, questi difetti involontari inducono sottoreticolo e squilibrio di spin, causando un momento magnetico locale. Questo, a sua volta, dà origine al trasporto di carica polarizzato in spin che rende i nanonastri difettosi a zigzag perfettamente adatti per applicazioni nella spintronica con logica interamente al carbonio nel limite ultimo della scalabilità.

Un confronto tra ZGNR e AGNR di uguale larghezza mostra che il trasporto attraverso il primo è meno sensibile all'introduzione di difetti sia singoli che multipli rispetto al secondo. Globale, la ricerca fornisce un quadro globale dell'impatto di questi onnipresenti difetti del "morso" sulla struttura elettronica a bassa energia dei nanonastri di grafene dal basso verso l'alto. La ricerca futura potrebbe concentrarsi sullo studio di altri tipi di difetti puntuali osservati sperimentalmente ai bordi di tali nanonastri, hanno detto i ricercatori.