Smala remsor av grafen som kallas nanoband uppvisar extraordinära egenskaper som gör dem till viktiga kandidater för framtida nanoelektroniska teknologier. Ett hinder för att utnyttja dem, dock, är svårigheten att kontrollera deras form på atomär skala, en förutsättning för många möjliga tillämpningar.

Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California, Berkeley, har utvecklat en ny precisionsmetod för att syntetisera grafen nanoband från fördesignade molekylära byggstenar. Med hjälp av denna process har forskarna byggt nanoband som har förbättrade egenskaper - såsom positionsberoende, inställbara bandgaps – som potentiellt är mycket användbara för nästa generations elektroniska kretsar.

Resultaten visas i en artikel med titeln "Molecular bandgap engineering of bottom-up syntetiserade grafen nanoribbon heterojunctions, " publicerad i Naturens nanoteknik .

"Detta arbete representerar framsteg mot målet att kontrollerbart sammansätta molekyler till vilka former vi vill, " säger Mike Crommie, senior forskare vid Berkeley Lab, professor vid UC Berkeley, och en ledare för studien. "För första gången har vi skapat ett molekylärt nanoband där bredden ändrar exakt hur vi designade det."

Nanoband förr och nu

Tidigare, forskare gjorde nanoband som har en konstant bredd genomgående. "Det ger en fin tråd eller ett enkelt kopplingselement, säger Crommie, "men det ger inte mycket funktionalitet. Vi ville se om vi kunde ändra bredden inom ett enda nanorband, kontrollera strukturen inuti nanobandet på atomär skala för att ge det nytt beteende som är potentiellt användbart."

Felix Fischer, Professor i kemi vid UC Berkeley som tillsammans ledde studien, designade de molekylära komponenterna för att ta reda på om detta skulle vara möjligt. Tillsammans, Fischer och Crommie upptäckte att molekyler med olika bredder verkligen kan fås att binda kemiskt så att bredden moduleras längs längden av ett enda resulterande nanoband.

"Tänk på molekylerna som olika stora legoklossar, " förklarar Fischer. Varje block har en viss definierad struktur och när de sätts ihop resulterar de i en viss form för hela nanobandet. "Vi vill se om vi kan förstå de exotiska egenskaper som uppstår när vi sätter ihop dessa molekylära strukturer, och för att se om vi kan utnyttja dem för att bygga nya funktionella enheter."

Tills nu, Syntesen av nanoband har mestadels involverat etsning av band ur större 2D-ark av grafen. Problemet, enligt Fischer, är att detta saknar precision och varje resulterande nanoband har en unik, lite slumpmässig struktur. En annan metod har varit att packa upp nanorör för att ge nanorband. Detta ger mjukare kanter än "top-down" etsningstekniken, men det är svårt att kontrollera eftersom nanorör har olika bredd och chiralitet.

En tredje väg, upptäckt av Roman Fasel från Swiss Federal Laboratories for Materials Science &Technology tillsammans med sina medarbetare, går ut på att placera molekyler på en metallyta och kemiskt smälta samman dem för att bilda perfekt enhetliga nanoband. Crommie och Fischer modifierade detta sista tillvägagångssätt och har visat att om formerna på de ingående molekylerna varieras så är det också formen på det resulterande nanobandet.

"Vad vi har gjort som är nytt är att visa att det är möjligt att skapa atomärt exakta nanoband med olikformig form genom att ändra formerna på de molekylära byggstenarna, säger Crommie.

Kontroll av kvantegenskaper

Elektroner i nanobanden skapar kvantmekaniska stående vågmönster som bestämmer nanobandets elektroniska egenskaper, som dess "bandgap". Detta bestämmer energin för hur elektroner rör sig genom ett nanoband, inklusive vilka regioner de ackumuleras i och vilka regioner de undviker.

Förr, forskare skapade rumsligt bandgapet för enheter i mikronskala genom dopning, tillsats av föroreningar till ett material. För de mindre nanorbanden, dock, det är möjligt att ändra bandgapet genom att ändra deras bredd i subnanometersteg, en process som Crommie och Fischer har kallat "molekylär bandgap engineering". Denna typ av ingenjörskonst gör det möjligt för forskarna att skräddarsy de kvantmekaniska egenskaperna hos nanoband så att de kan användas flexibelt för framtida nanoelektroniska enheter.

För att testa deras molekylära bandgap-teknik, Crommies grupp använde scanning tunneling microscopy (STM), en teknik som spatialt kan kartlägga elektronernas beteende inuti ett enda nanorband. "Vi behövde känna till formen i atomär skala på nanobanden, och vi behövde också veta hur elektronerna inuti anpassar sig till den formen, " säger Crommie. UC Berkeley professor i fysik Steven Louie och hans student Ting Cao beräknade den elektroniska strukturen för nanbanden för att korrekt tolka STM-bilderna. Detta "stängde slingan" mellan design av nanoband, tillverkning, och karaktärisering.

Nya riktningar mot nya enheter

En viktig fråga i detta arbete är hur man bäst bygger användbara enheter från dessa små molekylära strukturer. Medan teamet har visat hur man tillverkar breddvarierande nanoband, den har ännu inte införlivat dem i faktiska elektroniska kretsar. Crommie och Fischer hoppas kunna använda denna nya typ av nanoband för att så småningom skapa nya enhetselement - som dioder, transistorer, och lysdioder - som är mindre och kraftfullare än de som används för närvarande. I slutändan hoppas de kunna införliva nanoband i komplexa kretsar som ger bättre prestanda än dagens datorchips. För detta ändamål samarbetar de med UC Berkeleys elektriska ingenjörer som Jeffrey Bokor och Sayeef Salahuddin.

Den nödvändiga rumsliga precisionen finns redan:teamet kan modulera nanobandbredden från 0,7 nm till 1,4 nm, skapar korsningar där smala nanoband smälter samman till bredare. "Om vi ​​varierar bredden med en faktor två kan vi modulera bandgapet med mer än 1eV, " säger Fischer. För många applikationer är detta tillräckligt för att bygga användbara enheter.

Även om de potentiella applikationerna är spännande, Crommie påpekar att en central motivering för forskningen är viljan att svara på grundläggande vetenskapliga frågor som hur nanorband med ojämn bredd faktiskt beter sig. "Vi försökte svara på en intressant fråga, och vi svarade på det, " avslutar han.