(PhysOrg.com) -- Så långt tillbaka som på 1990-talet, långt innan någon faktiskt hade isolerat grafen – ett bikakegitter av kol bara en atom tjockt – förutspådde teoretiker extraordinära egenskaper vid kanterna av grafennanoband. Nu fysiker vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), och deras kollegor vid University of California i Berkeley, Stanford University, och andra institutioner, har gjort de första exakta mätningarna av "kanttillstånden" för välordnade nanoband.

Ett grafennanorband är en grafenremsa som kanske bara är några nanometer bred (en nanometer är en miljarddels meter). Teoretiker har föreställt sig att nanoband, beroende på deras bredd och vinkeln med vilken de skärs, skulle ha unik elektronisk, magnetisk, och optiska funktioner, inklusive bandgap som de i halvledare, vilket ark grafen inte har.

"Tills nu har ingen kunnat testa teoretiska förutsägelser angående nanorribbon kant-tillstånd, eftersom ingen kunde ta reda på hur man kan se strukturen i atomskala vid kanten av ett välordnat grafennanorband och hur, på samma gång, att mäta dess elektroniska egenskaper inom nanometer från kanten, " säger Michael Crommie från Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning (MSD) och UC Berkeleys fysikavdelning, som ledde forskningen. "Vi kunde uppnå detta genom att studera specialtillverkade nanoband med ett scanning tunnelmikroskop."

Teamets forskning bekräftar inte bara teoretiska förutsägelser utan öppnar möjligheten att bygga snabbverkande, energieffektiva enheter i nanoskala från grafen-nanoribbon-omkopplare, spinnventiler, och detektorer, baserat på antingen elektronladdning eller elektronspin. Längre på vägen, grafen nanorribbon kantstater öppnar möjligheten för enheter med avstämbar jättemagnetoresistans och andra magnetiska och optiska effekter.

Crommie och hans kollegor har publicerat sin forskning i Naturfysik , tillgänglig 8 maj, 2011 i avancerad onlinepublikation.

Det vältemperade nanorbandet

"Att göra flingor och ark av grafen har blivit vanligt, "Crommie säger, "men tills nu, nanorband producerade med olika tekniker har visat, i bästa fall, en hög grad av inhomogenitet" – vilket vanligtvis resulterar i oordnade bandstrukturer med endast korta sträckor av raka kanter som uppträder slumpmässigt. Det väsentliga första steget för att upptäcka nanorribbons kanttillstånd är tillgång till enhetliga nanoribbons med raka kanter, välordnat på atomär skala.

Hongjie Dai vid Stanford Universitys avdelning för kemi och laboratorium för avancerade material, en medlem av forskargruppen, löste detta problem med en ny metod för att "locka upp" kolnanorör kemiskt. Grafen som rullas in i en cylinder gör ett nanorör, och när nanorör dras upp på detta sätt löper skivan rakt ner längs rörets längd, lämnar välordnat, raka kanter.

Grafen kan lindas i nästan vilken vinkel som helst för att göra ett nanorör. Sättet som nanoröret lindas av bestämmer tonhöjden, eller "kiral vektor, " av nanorbandskanten när röret öppnas upp. Ett snitt rakt längs de yttre atomerna i en rad med sexkanter ger en sicksackkant. Ett snitt som görs i en 30-graders vinkel från en sicksackkant går genom mitten av sexkanterna och ger efter bågade kanter, känd som "fåtölj" kanter. Mellan dessa två ytterligheter finns en mängd olika kirala vektorer som beskriver kanter på nanoskalan, i vilken, till exempel, efter några hexagoner läggs ett sicksacksegment till i en vinkel.

Dessa subtila skillnader i kantstruktur har förutspåtts ge mätbart olika fysiska egenskaper, som potentiellt skulle kunna utnyttjas i nya grafenapplikationer. Steven Louie från UC Berkeley och Berkeley Labs MSD var forskargruppens teoretiker; med hjälp av postdoc Oleg Yazyev, Louie beräknade de förväntade resultaten, som sedan testades mot experiment.

Chenggang Tao från MSD och UCB ledde ett team av doktorander i att utföra scanning tunneling microscopy (STM) av nanobanden på ett guldsubstrat, som löste positionerna för enskilda atomer i grafen-nanorbanden. Teamet tittade på mer än 150 högkvalitativa nanorband med olika kiraliteter, som alla visade ett oväntat inslag, en regelbunden upphöjd bård nära deras kanter som bildar en puckel eller avfasning. När detta väl etablerades som en verklig kantfunktion – inte artefakten av ett vikt band eller ett tillplattat nanorör – kunde kiraliteten och de elektroniska egenskaperna hos välordnade nanorbandskanter mätas med tillförsikt, och kantområdena teoretiskt modellerade.

Elektronik vid kanten

"Tvådimensionella grafenark är anmärkningsvärda i hur fritt elektroner rör sig genom dem, inklusive det faktum att det inte finns något bandgap, " säger Crommie. "Nanoribbons är olika:elektroner kan fastna i smala kanaler längs nanoribbons kanter. Dessa kanttillstånd är endimensionella, men elektronerna på ena kanten kan fortfarande interagera med kantelektronerna på den andra sidan, vilket gör att en energiklyfta öppnar sig."

Använda en STM i spektroskopiläge (STS), teamet mätte elektroniska densitetsförändringar när en STM-spets flyttades från en nanorribbon-kant inåt mot dess inre. Nanoband av olika bredd undersöktes på detta sätt. Forskarna upptäckte att elektroner är begränsade till kanten av nanobanden, och att dessa elektroner med nanorribbon-kant uppvisar en uttalad splittring i sina energinivåer.

"I kvantvärlden, elektroner kan beskrivas som vågor förutom att vara partiklar, " konstaterar Crommie. Han säger att ett sätt att föreställa sig hur olika kanttillstånd uppstår är att föreställa sig en elektronvåg som fyller bandets längd och diffrakterar från atomerna nära dess kant. Diffraktionsmönstren liknar vattenvågor som kommer genom slitsar i en barriär.

For nanoribbons with an armchair edge, the diffraction pattern spans the full width of the nanoribbon; the resulting electron states are quantized in energy and extend spatially throughout the entire nanoribbon. For nanoribbons with a zigzag edge, dock, the situation is different. Here diffraction from edge atoms leads to destructive interference, causing the electron states to localize near the nanoribbon edges. Their amplitude is greatly reduced in the interior.

The energy of the electron, the width of the nanoribbon, and the chirality of its edges all naturally affect the nature and strength of these nanoribbon electronic states, an indication of the many ways the electronic properties of nanoribbons can be tuned and modified.

Says Crommie, "The optimist says, 'Wow, look at all the ways we can control these states – this might allow a whole new technology!' The pessimist says, 'Uh-oh, look at all the things that can disturb a nanoribbon's behavior – how are we ever going to achieve reproducibility on the atomic scale?'"

Crommie himself declares that "meeting this challenge is a big reason for why we do research. Nanoribbons have the potential to form exciting new electronic, magnetisk, and optical devices at the nanoscale. We might imagine photovoltaic applications, where absorbed light leads to useful charge separation at nanoribbon edges. We might also imagine spintronics applications, where using a side-gate geometry would allow control of the spin polarization of electrons at a nanoribbon's edge."

Although getting there won't be simple -- "The edges have to be controlled, " Crommie emphasizes -- "what we've shown is that it's possible to make nanoribbons with good edges and that they do, verkligen, have characteristic edge states similar to what theorists had expected. This opens a whole new area of future research involving the control and characterization of graphene edges in different nanoscale geometries."