Ett internationellt forskarlag vid Tohoku Universitys Advanced Institute of Materials Research (AIMR) lyckades kemiskt koppla samman chiral-edge graphene nanoribbons (GNR) med sicksackkantsegenskaper genom molekylär sammansättning, och visade elektronisk koppling mellan GNR:er. GNR:erna var sammankopplade uteslutande från början till slut, bildar armbågsstrukturer, identifierade som sammankopplingspunkter (fig. la).

Denna konfiguration gjorde det möjligt för forskare att visa att den elektroniska arkitekturen vid sammankopplingspunkterna mellan två GNR:er (Fig. 1b) är densamma som längs enstaka GNR:er; bevis för att GNR:s elektroniska egenskaper, såsom elektron- och värmeledningsförmåga, förlängs direkt genom armbågsstrukturerna vid kemisk GNR-sammankoppling.

Detta arbete visar att framtida utveckling av högpresterande, elektronik med låg strömförbrukning baserad på GNR:er är möjlig.

Grafen har länge förväntats revolutionera elektroniken, förutsatt att den kan skäras till atomärt exakta former som kopplas till önskade elektroder. Dock, medan nuvarande bottom-up-tillverkningsmetoder kan styra grafens elektroniska egenskaper, som hög elektronrörlighet, skräddarsydda bandluckor och s stiftjusterade sicksackkanter, kopplingsaspekten av grafenstrukturer har aldrig direkt utforskats. Till exempel, huruvida elektroner som färdas över sammankopplingspunkterna för två GNR:er skulle stöta på högre elektriskt motstånd är fortfarande en öppen fråga. Eftersom svaren på denna typ av frågor är avgörande för förverkligandet av framtida höghastighetshastigheter, elektronik med låg strömförbrukning, vi använder molekylär sammansättning för att ta itu med detta problem här.

"Nuvarande molekylära sammansättningar producerar antingen raka GNR (dvs. utan identifierbara sammankopplingspunkter), eller slumpmässigt sammankopplade GNR:er, " säger Dr Patrick Han, projektledaren. "Dessa tillväxtlägen har för många inneboende okända för att avgöra om elektroner rör sig över grafensammankopplingspunkter smidigt. Nyckeln är att designa en molekylär sammansättning som producerar GNR:er som systematiskt är sammankopplade med tydligt urskiljbara sammankopplingspunkter."

För att nå detta mål, AIMR-teamet använde ett Cu-substrat, vars reaktivitet begränsar GNR-tillväxten till sex riktningar, och använde scanning tunneling microscopy (STM) för att visualisera de elektroniska GNR-strukturerna. Genom att kontrollera prekursorns molekylära täckning, denna molekylära sammansättning förbinder GNR från olika tillväxtriktningar systematiskt ände till ände, producerar armbågsstrukturer—identifierade som sammankopplingspunkter (Fig. 1a). Med STM, AIMR-teamet avslöjade att delokaliseringen av de sammankopplade GNR π*-staterna sträcker sig på samma sätt över en enda rak GNR, och över sammankopplingspunkten för två GNR:er (periodiska särdrag i fig. 1b, Bottenpanel). Detta resultat indikerar att GNR elektroniska egenskaper, såsom elektron- och värmeledningsförmåga, bör vara samma vid ändarna av enstaka GNR:er och den för två anslutna GNR:er.

"Det viktigaste resultatet av detta arbete är att sammankopplade GNR:er inte visar elektroniska störningar (t.ex. elektronlokalisering som ökar motståndet vid sammankopplingspunkterna), " säger Han. "Den elektroniskt smidiga sammankopplingen visar att GNR-egenskaper (inklusive skräddarsydda bandgap, eller till och med spinnjusterade sicksackkanter) kan kopplas till andra grafenstrukturer. Dessa resultat visar att att hitta ett sätt att ansluta defektfria GNR:er till önskade elektroder kan vara nyckelstrategin för att uppnå högpresterande, elektronik med låg strömförbrukning."