De scannande tunnelmikroskopbilderna visar nanografenmolekyler och de två stabiliserade mellanprodukterna på en kopparyta. De molekylära modellerna visar en nanografen (längst ner till höger) samt de två mellanprodukterna (ovan och till vänster). I verkligheten är molekylens diameter ungefär en nanometer.
Grafen är ett lovande material för morgondagens nanoelektronikenheter. Exakta och uppskalbara metoder för att tillverka grafen och härledda material med önskade elektroniska egenskaper är dock fortfarande eftersökta. För att övervinna de nuvarande begränsningarna, Empa-forskare har tillverkat grafenliknande material med hjälp av en ytkemisk väg och i detalj klargjort motsvarande reaktionsväg. Arbetet har just publicerats i den vetenskapliga tidskriften "Nature Chemistry". Forskarna kombinerade empiriska observationer med hjälp av scanning tunnelmikroskopi med datorsimuleringar.
Elektroniska komponenter blir mindre och mindre, med mikroelektroniska komponenter som gradvis ersätts av nanoelektroniska. På nanoskala dimensioner, kisel, som för närvarande är det mest använda materialet inom halvledarteknik, når dock en gräns, förhindra ytterligare miniatyrisering och tekniska framsteg. Nytt elektroniskt material är därför efterfrågat. På grund av dess enastående elektroniska egenskaper, grafen, ett tvådimensionellt kolnät, betraktas som en möjlig ersättning. Dock, flera hinder måste övervinnas innan grafen kan användas i halvledarteknik. Till exempel, för närvarande finns det ingen lätttillämpbar metod för storskalig bearbetning av grafenliknande material.
Empa-forskare vid nanotech@surfaces Laboratory rapporterade om en ytkemisk väg för att tillverka små fragment av grafen, så kallade nanografener. Genom att använda en prototypisk polyfenylenprekursor, forskarna klargjorde, tillsammans med forskare vid Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz (Tyskland) och universitetet i Zürich, hur reaktionsvägen går i detalj på en kopparyta och hur byggstenarna kan omvandlas till plana nanografener direkt på ytan. Verket publicerades i söndags i den vetenskapliga tidskriften Naturkemi som en avancerad onlinepublikation.
Framgångsrika partners:experiment och simulering
För sina undersökningar kombinerade forskarna empiriska observationer, i synnerhet från scanning tunnelmikroskopi med datorsimuleringar. Simuleringarna används för att avgöra om ett teoretiskt möjligt reaktionssteg är energetiskt möjligt eller inte. Resultatet:reaktionsvägen består av sex steg med fem mellanprodukter. Två av dem stabiliseras av ytan så att de kan avbildas stabilt med scanningstunnelmikroskopet. Reaktionsbarriärerna som förbinder de olika mellanprodukterna sänks genom en katalytisk effekt av substratet.
Datorgenererad bild visar detaljer om en av de två mellanprodukter som Empa-forskarna identifierade med scanningstunnelmikroskopet.
För att kunna integreras i elektroniska kretsar, det grafenliknande materialet måste dock tillverkas på halvledarytor istället för metalliska. Forskarna har simulerat om deras tillvägagångssätt också skulle kunna fungera på dessa ytor och resultaten är mycket lovande, visar att ytstödd syntes är ett möjligt sätt att tillverka skräddarsydda nanografener på en rad olika substrat.
De tre pelarna i dagens vetenskap:teori, experimentera, och simulering
Framsteg i dagens vetenskapliga forskning bygger samtidigt på teori, experiment, och i ökad utsträckning på datorsimuleringar. Dessa simuleringar är komplementära till ofta komplexa labbexperiment och gör det möjligt att få ytterligare information som inte kan erhållas med enbart experimentella metoder. Kombinationen av experiment och simuleringar samt de härledda teorierna möjliggör därför en mer och mer exakt förklaring och exakt förutsägelse av naturfenomen.
