Grafene bucato prodotto utilizzando un approccio top-down convenzionale. Le dimensioni e la distribuzione dei fori generati non sono uniformi. Credito:Istituto per le scienze di base
Il diamante e la grafite sono due allotropi di carbonio presenti in natura che conosciamo da migliaia di anni. Sono carboni elementari disposti in modo tale da essere costituiti da sp 3 e sp 2 rispettivamente atomi di carbonio ibridati. Più recentemente, la scoperta di vari altri materiali allotropici di carbonio, come grafene, fullerene, nanotubi di carbonio, grafine e grafite, ha rivoluzionato la moderna scienza dei nanomateriali. In particolare, la ricerca sul grafene ha fatto progressi significativi nella chimica e nella fisica moderne grazie alle sue affascinanti proprietà.
Il grafene è stato pubblicizzato come un materiale meraviglioso che può potenzialmente rivoluzionare l'industria dei semiconduttori, grazie alle sue eccezionali proprietà di mobilità degli elettroni. Nonostante il clamore, sembra che la nostra civiltà sia ancora lontana dalla transizione dall'età del silicio all'età del grafene. La sfida principale dell'utilizzo del grafene nell'elettronica è la struttura elettronica a banda zero del grafene. Ciò rende impossibile spegnere i transistor a base di grafene, il che ne limita l'applicazione nell'industria dei semiconduttori. Sebbene sia possibile superare questa limitazione drogando o funzionalizzando il grafene, c'è anche molto interesse nella ricerca di nuovi tipi di allotropi di carbonio 2D che abbiano proprietà semiconduttive eccezionali, come un adeguato gap energetico e un'elevata mobilità.
Recentemente, i ricercatori hanno scoperto che è possibile conferire molte caratteristiche adatte a un semiconduttore agli ossidi di grafene o grafene creando molti buchi nella sua struttura. Questo nuovo tipo di materiale è chiamato "grafene bucato". Rispetto a grafene, γ-graphyne o graphdiyne, il grafene bucato non solo ha le proprietà semiconduttive 2D ideali, ma ha anche legami sp non lineari e una speciale struttura coniugata π, che offre applicazioni promettenti in optoelettronica, raccolta di energia, separazione di gas, catalisi, bonifica delle acque, sensori e campi relativi all'energia.
Finora, il grafene bucato è stato prodotto nei laboratori sintetizzando prima il grafene, quindi sottoponendolo a un trattamento fisico, chimico o idrotermale per praticare molti buchi nella struttura. Tuttavia, un tale approccio dall'alto verso il basso per la produzione ha i suoi limiti perché le dimensioni e la distribuzione dei "buchi" sono irregolari e difficili da controllare.
Guidati dal direttore associato Lee Hyoyoung, i ricercatori del Center for Integrated Nanostructure Physics (CINAP) all'interno dell'Institute for Basic Science, Corea del Sud, hanno sviluppato un approccio dal basso verso l'alto per la creazione di tale materiale. Per la prima volta, il gruppo ha ideato un metodo per costruire materiale di carbonio topologicamente 2D atomo per atomo.
Holey graphyne (HGY) prodotto utilizzando la sintesi bottom-up. La struttura molecolare di HGY è altamente coerente con anelli benzenici collegati alternativamente e legami C≡C, costituiti da anelli a sei vertici e anelli a otto vertici altamente tesi e una percentuale uguale di atomi di carbonio ibridati sp2 e sp. Credito:Istituto per le scienze di base
Questo nuovo materiale monocristallino bidimensionale è stato soprannominato "holey-graphyne" (HGY) dal gruppo. HGY è costituito da legami alternati tra anelli benzenici e legami C≡C, costituiti da uno schema di anelli a sei vertici e anelli a otto vertici altamente tesi e una percentuale uguale di sp 2 e sp atomi di carbonio ibridati.
"Siamo stati ispirati da una molecola intrigante, il dibenzocyclooctadiyne, sintetizzata per la prima volta da Sondheimer e collaboratori nel 1974. Nel dibenzocyclooctadiyne, due anelli aromatici del benzene sono collegati da due legami acetilenici piegati, risultando in un anello a otto membri altamente teso. Questo l'eccitante molecola ci ha ispirato a progettare e sintetizzare il nuovo allotropo di carbonio, versione del materiale, ovvero holey-graphyne", ha affermato il direttore associato Lee.
Il gruppo di ricerca ha prodotto con successo l'HGY ultrasottile monocristallino utilizzando 1,3,5-tribromo-2,4,6-trietinilbenzene come materiale di base. Il singolo strato atomico sottile HGY è stato quindi sintetizzato tra l'interfaccia di due sistemi solventi costituiti da acqua e diclorometano. Il nuovo HGY ha mostrato un gap di banda diretto di circa 1,1 eV e un'eccellente mobilità del vettore calcolato, rendendolo adatto come materiale semiconduttore.
Questa nuova scoperta non solo dimostra la prima sintesi dell'HGY ultrasottile monocristallino, ma introduce anche un nuovo concetto per la progettazione e la sintesi di un tale nuovo tipo di allotropo di carbonio 2D. Si spera che la futura applicazione di HGY nell'industria dei semiconduttori apra l'onda per una nuova generazione di elettronica oltre l'era del silicio.
La ricerca è stata pubblicata in Matter . + Esplora ulteriormente
