I nanonastri di grafene (GNR) sono strisce strette e lunghe di grafene con larghezze inferiori a 100 nm. GNR con bordi lisci, un considerevole gap di banda e un'elevata mobilità dei portatori di carica potrebbero essere molto preziosi per un'ampia gamma di applicazioni elettroniche e optoelettroniche. Finora, però, gli ingegneri non hanno ancora introdotto un metodo per preparare questi utili componenti su larga scala.

Ricercatori della Shanghai Jiao Tong University, Università di Stanford, e altri istituti negli Stati Uniti e in Cina, hanno recentemente ideato una nuova strategia per creare GNR con bordi lisci di larghezza inferiore a 10 nm. Questo metodo, introdotto in un articolo pubblicato in Elettronica della natura , si basa sull'uso di nanotubi di carbonio schiacciati (CNT), tubi in carbonio che tipicamente hanno diametri su scala nanometrica.

"L'idea alla base del nostro lavoro è che se i nanotubi di carbonio (CNT) possono essere schiacciati in GNR, saremmo in grado di produrre GNR stretti (sub-5 nm di larghezza) da CNT che hanno piccoli diametri, " Prof. Changxin Chen e Wendy L. Mao, due dei ricercatori che hanno condotto lo studio, detto Phys.org . "Inoltre, i GNR preparati con questo metodo saranno molto più ristretti di quelli ottenuti con i metodi precedenti."

Il recente studio del Prof. Chen, Mao, Il prof. Hongjie Dai e i loro colleghi è stato uno sforzo congiunto tra i rispettivi gruppi di ricerca presso la Shanghai Jiao Tong University e la Stanford University, con ulteriori contributi da altre istituzioni. Un team guidato dal Prof. Chen e Dai ha sviluppato principalmente il metodo e i processi del trattamento ad alta pressione/termico per schiacciare i CNT in GNR, nonché sulla raccolta delle caratterizzazioni dei GNR preparati, calcoli e misurazioni delle prestazioni del dispositivo. Il gruppo di ricerca del Prof. Wendy Mao ha condotto gli esperimenti con cellule di incudine di diamante ad alta pressione (DAC) attraverso i quali i CNT sono stati schiacciati.

Un altro obiettivo di questa recente collaborazione è stato quello di ottenere bordi atomicamente lisci in tutti i GNR, formando GNR con bordi chiusi che mostravano un'elevata mobilità di materiali e dispositivi. Per produrre i loro GNR di larghezza inferiore a 10 nm e lunghi con bordi chiusi atomicamente lisci, i ricercatori hanno schiacciato insieme i CNT utilizzando il metodo di trattamento termico e ad alta pressione ideato da Chen e dal suo team.

"Abbiamo utilizzato un DAC per il trattamento ad alta pressione dei CNT, " Chen e Mao hanno spiegato. "I campioni di CNT sono stati sigillati in una camera per campioni nel DAC e poi sono stati compressi tra le punte di due incudini di diamante. Per stabilizzare la struttura del campione schiacciato, abbiamo condotto un trattamento termico sul campione mentre era ad alta pressione."

I GNR creati da Chen, Mao, Dai e i loro colleghi hanno atomicamente liscio, bordi chiusi e pochissimi difetti. Usando il metodo che hanno ideato, il team è stato persino in grado di produrre GNR sub-5 nm con una larghezza minima di 1,4 nm. Sorprendentemente, hanno scoperto che un transistor ad effetto di campo (FET) basato su un GNR a bordo chiuso largo 2,8 nm mostrava un alto io _Su / io _spento rapporto di> 10 ⁴ , mobilità ad effetto di campo di 2, 443 cm ² V ⁻¹ S ⁻¹ e conducibilità del canale on-state di 7,42 mS.

"La nostra ricerca dimostra che nanonastri di grafene semiconduttore di larghezza inferiore a 10 nm con bordi chiusi atomicamente lisci possono essere prodotti schiacciando i nanotubi di carbonio utilizzando un trattamento combinato ad alta pressione e termico, " Dissero Chen e Mao. "Con questo approccio, è possibile creare nanonastri stretti fino a 1,4 nm. I nanonastri aperti sui bordi sono stati anche fabbricati utilizzando acido nitrico come ossidante per incidere selettivamente i bordi dei nanotubi schiacciati ad alta pressione".

Lo studio potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di nuovi dispositivi elettronici e optoelettronici. Nel futuro, il metodo ideato da Chen, Mao, Dai e i loro colleghi potrebbero essere utilizzati per produrre prodotti di alta qualità, stretto, e lunghi GNR semiconduttori.

Inoltre, la loro strategia di fabbricazione consente agli ingegneri di controllare i tipi di bordo di un GNR. Ciò potrebbe aiutare a esplorare ulteriormente le proprietà fondamentali e le applicazioni pratiche dei GNR nell'elettronica e nell'optoelettronica. In definitiva, il metodo sviluppato da Chen, Mao, Dai and their colleagues could also be adapted to also synthesize other desirable materials-based nanoribbons using squashed nanotubes or to flatten other fullerene materials.

"Now that we have demonstrated the potential of our approach, we are investigating ways to make the synthesis conditions more practical and ways to scale up the synthesis of GNRs (e.g., decreasing the pressure needed for squashing CNTs by regulating the temperature of the sample in the high-pressure treatment or introducing additional deviatoric-stress component in the pressure), " Chen and Mao added. "In our next studies, we also plan to explore more unique characteristics of the edge-closed GNRs we created."

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