(PhysOrg.com) -- Medan många labb försöker effektivt syntetisera stora tvådimensionella ark av grafen, ett team av forskare från Sverige och Storbritannien undersöker syntesen av mycket tunna remsor av grafen bara några atomer breda. I motsats till grafen, dessa grafen nanoband har en unik elektronisk struktur inklusive ett bandgap som inte är noll, vilket gör dem till lovande kandidater för halvledartillämpningar. Men, som med grafenark, en av de största utmaningarna för nu är att hitta ett sätt att effektivt syntetisera dessa grafen nanoband.

I deras studie, forskarna Jonas Björk och Sven Stafström från Linköpings universitet i Sverige och Felix Hanke från University of Liverpool i Storbritannien har använt en kraftfull superdator vid Linköpings universitet för att undersöka hur grafen nanoband växer från en antracenpolymer på ett guldsubstrat. Resultaten av deras studie publiceras i ett nytt nummer av Journal of the American Chemical Society .

Forskarna upptäckte att i den mest troliga tillväxtprocessen för nanorband, guldsubstratet fungerar som mer än bara ett stöd där reaktionen kan ske. Guldet katalyserar faktiskt reaktionen genom att attrahera väteatomer från antracenpolymeren (som är gjord av bensenringar) för att binda till guldytan, initierar det första steget av reaktionen. I denna "dehydreringsprocess" två väteatomer från varje enhet av antracenpolymeren överförs till guldytan, lämnar efter sig en kol-kolbindning. Kol-kolbindningen utgör en del av grafens bikakegaller. Under tiden, väteatomerna frigörs från guldytan genom desorption i vakuumet.

Superdatorn avslöjade också att denna dehydreringsreaktion upprepas på grund av effekterna av positiv kooperativitet:När en polymerenhet har en granne som har en kol-kolbindning, dess sannolikhet att genomgå samma reaktion och få sin egen kol-kolbindning ökar. Resultatet är att reaktionen, som börjar i ena änden av polymeren, sprider sig enhet för enhet genom hela polymeren på ett dominoliknande sätt. Efter flera minuter, hela polymeren omvandlas till ett väldefinierat grafennanorband med en bredd på sju kolatomer.

Att ta reda på hur grafen nanoband syntetiseras på detta sätt är en komplicerad process i molekylär skala som bara kan redas ut i detalj av kraftfulla superdatorer. Även om det finns några andra reaktionsvägar som reaktionen kan ta, forskarna beräknade att denna reaktion är mycket favoriserad framför de andra:De uppskattade att 10, 000 reaktioner fortgår längs denna väg än med den näst mest gynnsamma reaktionen. Genom att förstå reaktionen kommer forskarna att kunna identifiera den bästa tillverkningsmetoden för framtida experiment och utveckling.

"Det här är en fråga om hur man bygger material, antingen 'bottom-up' (syntes från dess beståndsdelar) kontra 'top-down' (att ta något större och skära det i storlek), ” berättade Hanke PhysOrg.com . "Nedifrån och upp i tillvägagångssättet med grafen nanorribbons är mycket intressant eftersom det tillåter oss att börja med den ultimata storleksgränsen för ett material (en atom, eller, säga, en liten molekyl) och lägg sedan bara till de bitar som verkligen är verkligen behövs. Dessutom, det tillåter oss också att göra grafen nanoband som konsekvent har samma bredd av, säga, sju Ångström (7x10 ^-10 m), helt enkelt genom att se till att ingredienserna bara är polyantracen och inte något mycket större. Detta låter trivialt, men det är faktiskt väldigt svårt att uppnå i top-down-metoder, särskilt om atomär precision önskas."

Tillämpningarna av grafen nanoband (och grafen i sig) är fortfarande i de mycket tidiga stadierna, men deras egenskaper gör att materialen ser lovande ut. Tidigare studier har visat att styrning av bredden och kantstrukturen hos grafennanorband kan ställa in bandens elektroniska egenskaper, vilket skulle kunna leda till molekylärbaserad elektronik som transistorer. Genom att få en bättre förståelse för hur grafen nanoband växer, inklusive guldsubstratets katalytiska roll och reaktionens dominoeffekt, forskare har tagit ytterligare ett steg mot denna framtida teknik.

"Den huvudsakliga hypen bakom grafen nanorribbons är att du ska kunna använda dem för halvledarapplikationer, vilket beror på deras mycket önskvärda elektroniska struktur som skiljer sig från den elektroniska strukturen av grafen, sa Hanke. "Det fina med grafen nanoband är att deras elektroniska respons bestäms helt enkelt av deras form. Därför, att kunna förstå och bygga grafen nanoband på ett kontrollerat sätt är en mycket viktig process för den fortsatta utvecklingen av elektronik. Särskilt för antracenbaserade nanoband, vi har en bredd som fortfarande är cirka 30 gånger mindre än vad som finns i dagens halvledarbaserad elektronik.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.