Som rapporterats av tidningen Natur i sitt senaste nummer, forskare från Empa, Max Planck-institutet i Mainz och Technical University of Dresden har för första gången lyckats framställa grafennanorband med perfekta sicksackkanter från molekyler. Elektroner på dessa sicksackkanter uppvisar olika (och kopplade) rotationsriktningar ("snurr"). Detta kan göra grafen nanoband till det valbara materialet för framtidens elektronik, så kallad spintronik.

I takt med att elektroniska komponenter blir allt mindre, industrin närmar sig gradvis gränserna för vad som är möjligt med den traditionella metoden med kisel som halvledarmaterial. grafen, materialet med ett antal "mirakulösa" egenskaper, anses vara en möjlig ersättare. Den enatomiga tunna kolfilmen är ultralätt, extremt flexibel och mycket ledande. Dock, för att kunna använda grafen för elektroniska komponenter som fälteffekttransistorer, materialet måste "omvandlas" till en halvledare. Detta uppnåddes av Empa-forskare för en tid sedan med en nyutvecklad metod - 2010, de presenterade, för första gången, grafen nanorribbons (GNR) bara några nanometer breda med exakt formade kanter. För detta, banden odlades på en metallyta från specifikt utformade prekursormolekyler. Ju smalare band, ju större deras elektroniska bandgap - d.v.s. energiområdet där inga elektroner kan lokaliseras, som ansvarar för att en elektronisk strömbrytare (t.ex. en transistor) kan slås på och av. Empa-forskarna kunde då också "dopa" nanobanden, d.v.s. att förse banden med föroreningsatomer såsom kväve vid vissa punkter, för att påverka grafenbandens elektroniska egenskaper ännu mer.

Den perfekta ritningen

I tidningen som nu publiceras i Natur , Empa-teamet ledd av Roman Fasel rapporterar, tillsammans med kollegor från Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz, leds av Klaus Müllen, och från det tekniska universitetet i Dresden under ledning av Xinliang Feng, hur den lyckades syntetisera GNR med perfekt sicksackade kanter med hjälp av lämpliga kolprekursormolekyler och en fulländad tillverkningsprocess. Sicksackarna följde en mycket specifik geometri längs bandens längdaxel. Detta är ett viktigt steg, eftersom forskare på så sätt kan ge grafenband olika egenskaper via bandens geometri och speciellt via strukturen på deras kanter.

Precis som med golvplattor, de rätta brickorna - eller prekursormolekylerna - för syntesen på ytan måste först hittas för det specifika mönstret av sicksack-grafenbanden. Till skillnad från i organisk kemi, som tar hänsyn till förekomsten av biprodukter på vägen mot att uppnå ett rent ämne, allt måste designas för ytsyntesen av grafenbanden så att bara en enda produkt producerades. Forskarna växlade upprepade gånger fram och tillbaka mellan datorsimuleringar och experiment, för att utforma bästa möjliga syntes. Med molekyler i en U-form, som de lät växa ihop till en ormliknande form, och ytterligare metylgrupper, som fullbordade sicksackkanterna, forskarna kunde äntligen skapa en "blåkopia" för GNR med perfekta sicksackkanter. För att kontrollera att sicksackkanterna var exakta ner till atomen, forskarna undersökte atomstrukturen med hjälp av ett atomkraftmikroskop (AFM). Dessutom, de kunde karakterisera de elektroniska tillstånden för sicksackkanterna med hjälp av scanning tunneling spectroscopy (STS).

Använda elektronernas inre spinn

Och dessa visar en mycket lovande funktion. Elektroner kan snurra antingen till vänster eller till höger, som kallas elektronernas inre spinn. Det speciella med sicksack-GNR är att, längs varje kant, elektronerna snurrar alla i samma riktning; en effekt som kallas ferromagnetisk koppling. På samma gång, den så kallade antiferromagnetiska kopplingen ser till att elektronerna på den andra kanten alla snurrar i motsatt riktning. Så elektronerna på ena sidan har alla ett "spin-up"-tillstånd och på den andra kanten har de alla ett "spin-down"-tillstånd.

Således, två oberoende spin-kanaler med motsatta "färdriktningar" uppstår på bandets kanter, som en väg med separerade körfält. Via avsiktligt integrerade strukturella defekter på kanterna eller - mer elegant - via tillhandahållandet av en elektrisk, magnetisk eller optisk signal från utsidan, spinnbarriärer och spinnfilter kan alltså konstrueras som bara kräver energi för att kunna slås på och av – föregångaren till en nanoskala och dessutom extremt energieffektiv transistor.

Möjligheter som detta gör GNR extremt intressant för spintroniska enheter; dessa använder både elektronernas laddning och spinn. Denna kombination får forskare att förutse helt nya komponenter, t.ex. adresserbara magnetiska datalagringsenheter som upprätthåller den information som har matats in även efter att strömmen har stängts av.