I det senaste numret av Natur , Europeiska forskare från Empa och Max Planck Institute for Polymer Research rapporterar hur de för första gången har lyckats odla grafenband som bara är några nanometer breda med en enkel ytbaserad kemisk metod. Grafenband anses vara "heta kandidater" för framtida elektronikapplikationer eftersom deras egenskaper kan justeras genom bredd och kantform.

Transistorer på basis av grafen anses vara potentiella efterträdare för de kiselkomponenter som för närvarande används. Grafen består av tvådimensionella kolskikt och har ett antal enastående egenskaper:det är inte bara hårdare än diamant, extremt rivbeständig och ogenomtränglig för gaser, men det är också en utmärkt elektrisk och termisk ledare. Dock, eftersom grafen är en halvmetall saknar den, i motsats till kisel, ett elektroniskt bandgap och har därför ingen omkopplingskapacitet som är avgörande för elektronikapplikationer. Forskare från Empa, Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz (Tyskland), ETH Zürich och universiteten i Zürich und Bern har nu utvecklat en ny metod för att skapa grafenband med bandgap.

Hittills, grafenband har "klippts" från större grafenark, liknar tagliatelle som skärs av pastadeg. Eller kolnanorör slits upp på längden och veckades ut. Detta ger upphov till ett bandgap via en kvantmekanisk effekt - gapet är ett energiområde som inte kan upptas av elektroner och som bestämmer de fysiska egenskaperna, till exempel omkopplingsförmågan. Bredden (och kantformen) på grafenbandet bestämmer storleken på bandgapet och påverkar därigenom egenskaperna hos komponenter konstruerade från bandet.

Om extremt smala grafenband (långt under 10 nanometer breda) som också har väldefinierade kanter skulle kunna tillverkas, så resonemanget, då kan de tillåta komponenter som uppvisar specifika optiska och elektroniska egenskaper:beroende på krav, justering av bandgapet kan användas för att finjustera omkopplingsegenskaperna hos en transistor. Detta är ingen elak prestation, som de litografiska metoder som har använts fram till nu, till exempel för att skära grafenlager, motverka grundläggande hinder; de ger band som är för breda och har diffusa kanter.

I frågan om Natur publicerad den 22 juli 2010, forskare under ledning av Roman Fasel, Senior Scientist på Empa och professor för kemi och biokemi vid University of Bern, och Klaus Müllen, Direktör vid Max Planck Institute for Polymer Research, beskriva en enkel ytbaserad kemisk metod för att skapa sådana smala band utan att behöva klippa, i ett bottom-up-tillvägagångssätt, dvs från de grundläggande byggstenarna. För att uppnå detta, de sprider särskilt utformade halogen-substituerade monomerer på guld- och silverytor under ultrahöga vakuumförhållanden. Dessa är länkade för att bilda polyfenylenkedjor i ett första reaktionssteg.

I ett andra reaktionssteg, initierad av något högre uppvärmning, väteatomer avlägsnas och kedjorna sammankopplas för att bilda en plan, aromatiskt grafensystem. Detta resulterar i grafenband med tjockleken på en enda atom som är en nanometer bred och upp till 50 nm lång. Grafenbanden är alltså så smala att de uppvisar ett elektroniskt bandgap och därför, som är fallet med kisel, har kopplingsegenskaper - ett första och viktigt steg för övergången från kiselmikroelektronik till grafen -nanoelektronik. Och om det inte vore nog, grafenband med olika rumsliga strukturer (antingen raka linjer eller med sicksack-former) skapas, beroende på vilka molekylära monomerer forskarna använde.

Eftersom forskarna nu (nästan) kan producera grafenband efter behag, de vill börja undersöka sina fastigheter, till exempel hur de magnetiska egenskaperna hos grafenband kan påverkas av olika kantstrukturer. Den ytbaserade kemiska metoden öppnar också upp intressanta möjligheter när det gäller riktad dopning av grafenband:användningen av monomerkomponenter med kväve- eller boratomer i väldefinierade positioner eller användning av monomerer med ytterligare funktionella grupper bör möjliggöra skapandet av positivt och negativt dopade grafenband.

En kombination av olika monomerer är också möjlig och kan tillåta, till exempel, skapandet av så kallade heterojunctions - gränssnitt mellan olika typer av grafenband, som band med små och stora bandgap - som kan användas i solceller eller högfrekventa komponenter. The scientists have already demonstrated that the underlying principle for this works:they have connected three graphene ribbons to each other at a nodal point by means of two suitable monomers.

Hittills, the scientists have focused on graphene ribbons on metal surfaces. Dock, to be usable in electronics the graphene ribbons need to be created on semi-conductor surfaces or methods must be developed to transfer the ribbons from metal to semi-conductor surfaces. And first results in this direction also give the scientists good reasons to be optimistic.