Med hjälp av grafenband med ofattbart små bredder – bara flera atomer tvärs över – har en grupp forskare vid University of Wisconsin-Milwaukee (UWM) hittat ett nytt sätt att "stämma" undermaterialet, vilket får den extremt effektiva ledaren av elektricitet att fungera som en halvledare.

I princip, deras metod för att producera dessa smala band – med en bredd som är ungefär lika med diametern på en sträng av mänskligt DNA – och manipulera bandens elektriska ledningsförmåga skulle kunna användas för att producera nano-enheter.

grafen, en enatoms tjock skiva av kolatomer, är känd för sin höga potential att ge enheter i nanoskala och leverera beräkningar i kvanthastighet. Men innan det kan tillämpas på nanoteknik, forskare måste först hitta en enkel metod för att styra flödet av elektroner för att kunna utforma ens en enkel på/av-brytare.

"Nano-band är modellsystem för att studera effekter i nanoskala i grafen, men att få en bandbredd under 10 nanometer och karakterisera dess elektroniska tillstånd är ganska utmanande, " säger Yaoyi Li, en UWM-fysikpostdoktor och första författare till en artikel som publicerades den 2 juli i tidskriften Naturkommunikation .

Genom att avbilda banden med scanning-tunneling mikroskopi, Forskare har bekräftat hur smal bandbredden måste vara för att förändra grafens elektriska egenskaper, gör den mer avstämbar.

"Vi fann att övergången sker vid tre nanometer och förändringarna är abrupta, säger Michael Weinert, en UWM-teoretisk fysiker som arbetade på Department of Energy-stödda projekt med experimentfysikern Lian Li. "Innan denna studie, det fanns inga experimentella bevis på hur stor bredd debuten av dessa beteenden är."

Teamet fann också att ju smalare bandet blir, desto mer "avstämbara" materialets beteenden. De två kanterna på ett så smalt band kan samverka starkt, i huvudsak omvandlar bandet till en halvledare med avstämbara egenskaper som liknar den hos kisel.

Det första hindret

Nuvarande metoder för skärning kan ge bandbredder på fem nanometer tvärs över, fortfarande för bred för att uppnå det avstämbara tillståndet, säger Yaoyi Li. Förutom att producera smalare band, varje ny strategi för skärning som de utarbetat skulle också behöva resultera i en rak inriktning av atomerna vid bandets kanter för att bibehålla de elektriska egenskaperna, han lägger till.

Så UWM-teamet använde järnnanopartiklar ovanpå grafenet i en vätemiljö. Järn är en katalysator som får väte- och kolatomer att reagera, skapar en gas som etsar in ett dike i grafenet. Skärningen åstadkoms genom att exakt kontrollera vätetrycket, säger Lian Li.

Järnnanopartikeln rör sig slumpmässigt över grafenen, producera band av olika bredder – inklusive några så tunna som en nanometer, han säger. Metoden producerar också kanter med korrekt inriktade atomer.

En begränsning finns för lagets skärmetod, och det har att göra med var kanterna skärs. Atomerna i grafen är ordnade på ett bikakenät som, beroende på skärriktningen ger antingen en "fåtöljformad" kant eller en "sick-sack"-kant. De halvledande beteenden som forskarna observerade med sin etsmetod kommer endast att inträffa med ett snitt i sicksackkonfigurationen.

Manipulerar för funktion

När man skär, kolatomerna vid kanterna av de resulterande banden har bara två av de normala tre grannarna, skapar en slags bindning som attraherar väteatomer och korralerar elektroner till bandets kanter. Om bandet är tillräckligt smalt, elektronerna på motsatta sidor kan fortfarande interagera, skapa ett halvledande elektriskt beteende, säger Weinert.

Forskarna experimenterar nu med att mätta kanterna med syre, snarare än väte, för att undersöka om detta ändrar grafenens elektriska beteende till en metalls.

Att lägga till funktion till grafen-nanoband genom denna process skulle kunna möjliggöra det eftertraktade målet med komponenter i atomskala gjorda av samma material, men med olika elektriska beteenden, säger Weinert.