Teoretiska fysiker vid Rice University lever på kanten när de studerar grafens häpnadsväckande egenskaper. I en ny studie, de tar reda på hur forskare kan bryta grafen nanoband för att få de kanter de behöver för tillämpningar.

Ny forskning av Rice-fysikern Boris Yakobson och hans kollegor visar att det borde vara möjligt att kontrollera kantegenskaperna hos grafen-nanoband genom att kontrollera förhållanden under vilka nanobanden dras isär.

Sättet som atomer ställer upp längs kanten på ett band av grafen – den atomtjocka formen av kol – styr om det är metalliskt eller halvledande. Ström passerar obehindrat genom metallisk grafen, men halvledare tillåter ett mått av kontroll över dessa elektroner.

Eftersom modern elektronik handlar om kontroll, halvledande grafen (och halvledande tvådimensionella material i allmänhet) är av stort intresse för forskare och industri som arbetar med att krympa elektronik för tillämpningar.

I arbetet, som dök upp denna månad i tidskriften Royal Society of Chemistry Nanoskala , Rice-teamet använde sofistikerad datormodellering för att visa att det är möjligt att riva nanoband och få grafen med antingen orörda sicksackkanter eller vad som kallas rekonstruerade sicksackar.

Perfekt grafen ser ut som hönsnät, där varje sexatomsenhet bildar en hexagon. Kanterna på orörda sicksackar ser ut så här:////////. Att vrida sexkanterna 30 grader gör kanterna "fåtöljer, " med platta toppar och botten som hålls samman av diagonalerna. Kanternas elektroniska egenskaper är kända för att variera från metalliska till halvledande, beroende på bandets bredd.

"Rekonstruerad" syftar på processen genom vilken atomer i grafen lockas att flytta runt för att bilda sammankopplade ringar med fem och sju atomer. Risberäkningarna fastställde att rekonstruerade sicksackar är de mest stabila, en önskvärd kvalitet för tillverkarna.

Allt som är bra, men man måste fortfarande veta hur man gör dem.

"Att göra grafenbaserade nanoenheter genom mekanisk fraktur låter attraktivt, men det skulle inte vara vettigt förrän vi vet hur man får rätt typer av kanter – och nu gör vi det, " sa ZiAng Zhang, en Rice-student och tidningens huvudförfattare.

Yakobson, Zhang och Rice postdoktorala forskare Alex Kutana använde densitetsfunktionsteori, en beräkningsmetod för att analysera den energetiska inmatningen av varje atom i ett modellsystem, att lära sig hur termodynamiska och mekaniska krafter skulle uppnå målet.

Deras studie visade att uppvärmning av grafen till 1, 000 kelvin och applicering av en låg men stadig kraft längs en axel kommer att knäcka den på ett sådant sätt att helt rekonstruerade 5-7 ringar kommer att bilda och definiera de nya kanterna. Omvänt, frakturering av grafen med låg värme och hög kraft är mer sannolikt att leda till orörda sicksack.