Immagine al microscopio a scansione di tunneling di un nanoribbon di grafene a zigzag. Credito:Felix Fischer/Berkeley Lab
Da quando il grafene, un sottile foglio di carbonio spesso un atomo, è stato scoperto più di 15 anni fa, il materiale meraviglioso è diventato un cavallo di battaglia nella ricerca sulla scienza dei materiali. Da questo corpus di lavori, altri ricercatori hanno appreso che affettare il grafene lungo il bordo del suo reticolo a nido d'ape crea strisce di grafene a zigzag unidimensionali o nanonastri con proprietà magnetiche esotiche.
Molti ricercatori hanno cercato di sfruttare il comportamento magnetico insolito dei nanoribbon in dispositivi spintronici a base di carbonio che consentono l'archiviazione dei dati ad alta velocità e bassa potenza e le tecnologie di elaborazione delle informazioni codificando i dati attraverso lo spin dell'elettrone anziché la carica. Ma poiché i nanonastri a zigzag sono altamente reattivi, i ricercatori si sono cimentati su come osservare e incanalare le loro proprietà esotiche in un dispositivo del mondo reale.
Ora, come riportato nel numero del 22 dicembre della rivista Nature , i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'UC Berkeley hanno sviluppato un metodo per stabilizzare i bordi dei nanonastri di grafene e misurare direttamente le loro proprietà magnetiche uniche.
Il team co-guidato da Felix Fischer e Steven Louie, entrambi scienziati della facoltà della Divisione di scienze dei materiali del laboratorio di Berkeley, ha scoperto che sostituendo alcuni degli atomi di carbonio lungo i bordi a zigzag del nastro con atomi di azoto, potevano regolare in modo discreto la struttura elettronica locale senza interrompere le proprietà magnetiche. Questo sottile cambiamento strutturale ha ulteriormente consentito lo sviluppo di una tecnica di microscopia con sonda a scansione per misurare il magnetismo locale del materiale su scala atomica.
"I precedenti tentativi di stabilizzare il bordo a zigzag hanno inevitabilmente alterato la struttura elettronica del bordo stesso", ha affermato Louie, che è anche professore di fisica alla UC Berkeley. "Questo dilemma ha condannato gli sforzi per accedere alla loro struttura magnetica con tecniche sperimentali e finora ha relegato la loro esplorazione ai modelli computazionali", ha aggiunto.
Guidati da modelli teorici, Fischer e Louie hanno progettato un blocco molecolare su misura caratterizzato da una disposizione di atomi di carbonio e azoto che possono essere mappati sulla struttura precisa dei nanonastri di grafene a zigzag desiderati.
Per costruire i nanoribbon, i piccoli blocchi molecolari vengono prima depositati su una superficie metallica piatta, o substrato. Successivamente, la superficie viene riscaldata delicatamente, attivando due maniglie chimiche alle estremità di ciascuna molecola. Questa fase di attivazione rompe un legame chimico e lascia una "estremità appiccicosa" altamente reattiva.
Ogni volta che due "estremità appiccicose" si incontrano mentre le molecole attivate si diffondono sulla superficie, le molecole si combinano per formare nuovi legami carbonio-carbonio. Alla fine, il processo crea catene a margherita 1D di blocchi molecolari. Infine, una seconda fase di riscaldamento riorganizza i legami interni della catena per formare un nanonastro di grafene con due bordi paralleli a zigzag.
"Il vantaggio unico di questa tecnologia molecolare dal basso verso l'alto è che qualsiasi caratteristica strutturale del nastro di grafene, come l'esatta posizione degli atomi di azoto, può essere codificata nel blocco molecolare", ha affermato Raymond Blackwell, uno studente laureato nel Gruppo Fischer e co-autore principale dell'articolo insieme a Fangzhou Zhao, uno studente laureato nel gruppo Louie.
La sfida successiva è stata misurare le proprietà dei nanoribbon.
"Ci siamo subito resi conto che, non solo per misurare ma effettivamente quantificare il campo magnetico indotto dagli stati del bordo del nanoribbon con polarizzazione dello spin, avremmo dovuto affrontare due problemi aggiuntivi", ha affermato Fischer, che è anche professore di chimica alla UC Berkeley.
In primo luogo, il team doveva capire come separare la struttura elettronica del nastro dal suo substrato. Fischer ha risolto il problema utilizzando una punta di microscopio a scansione tunnel per interrompere irreversibilmente il legame tra il nanonastro di grafene e il metallo sottostante.
La seconda sfida era sviluppare una nuova tecnica per misurare direttamente un campo magnetico su scala nanometrica. Fortunatamente, i ricercatori hanno scoperto che gli atomi di azoto sostituiti nella struttura dei nanonastri agivano effettivamente come sensori su scala atomica.
Le misurazioni nelle posizioni degli atomi di azoto hanno rivelato le caratteristiche di un campo magnetico locale lungo il bordo a zigzag.
I calcoli eseguiti da Louie utilizzando risorse di calcolo presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) hanno prodotto previsioni quantitative delle interazioni che derivano dagli stati dei bordi spin-polarizzati dei nastri. Le misurazioni al microscopio delle firme precise delle interazioni magnetiche corrispondevano a quelle previsioni e ne confermavano le proprietà quantistiche.
"L'esplorazione e infine lo sviluppo degli strumenti sperimentali che consentono l'ingegneria razionale di questi bordi magnetici esotici apre la porta a opportunità senza precedenti della spintronica a base di carbonio", ha affermato Fischer, riferendosi ai dispositivi nanoelettronici di prossima generazione che si basano sulle proprietà intrinseche degli elettroni. Il lavoro futuro comporterà l'esplorazione dei fenomeni associati a queste proprietà in architetture di grafene a zigzag progettate su misura. + Esplora ulteriormente
