Detta grafen nanoband gjordes nedifrån och upp från en molekylär prekursor. Nanorribbons bredd och kanteffekter påverkar elektroniskt beteende. Kredit:Oak Ridge National Laboratory, US Department of Energy; scanning tunneling mikroskopi av Chuanxu Ma och An-Ping Li
Ett nytt sätt att odla smala band av grafen, en lätt och stark struktur av enatomtjocka kolatomer kopplade till hexagoner, kan åtgärda en brist som har hindrat materialet från att nå sin fulla potential i elektroniska ansökningar. Grafen nanorband, bara miljarddels meter bred, uppvisar andra elektroniska egenskaper än tvådimensionella ark av materialet.
"Inspärrning förändrar grafens beteende, " sa An-Ping Li, en fysiker vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory. Grafen i ark är en utmärkt elektrisk ledare, men avsmalnande grafen kan göra materialet till en halvledare om banden är gjorda med en specifik kantform.
Tidigare ansträngningar att göra grafen nanoband använde ett metallsubstrat som hindrade bandens användbara elektroniska egenskaper.
Nu, forskare vid ORNL och North Carolina State University rapporterar i tidskriften Naturkommunikation att de är de första att odla grafen nanoband utan ett metallsubstrat. Istället, de injicerade laddningsbärare som främjar en kemisk reaktion som omvandlar en polymerprekursor till ett grafennanorband. På utvalda platser, denna nya teknik kan skapa gränssnitt mellan material med olika elektroniska egenskaper. Sådana gränssnitt är grunden för elektroniska halvledarenheter från integrerade kretsar och transistorer till lysdioder och solceller.
"Grafen är underbart, men det har gränser, " sa Li. "I breda lakan, den har inget energigap – ett energiområde i ett fast ämne där inga elektroniska tillstånd kan existera. Det betyder att du inte kan slå på eller stänga av den."
När en spänning appliceras på ett ark grafen i en enhet, elektroner flödar fritt som de gör i metaller, allvarligt begränsar grafens tillämpning inom digital elektronik.
"När grafen blir väldigt smal, det skapar en energiklyfta, " sa Li. "Ju smalare bandet är, desto större är energigapet."
Ett grafen nanoband föds. Ett skanningstunnelmikroskop injicerar laddningsbärare som kallas "hål" i en polymerprekursor, utlöser en reaktion som kallas cyklodehydrering på den platsen, skapa en specifik plats där ett fristående grafennanorband bildas nerifrån och upp. Kredit:Oak Ridge National Laboratory, USA:s energidepartement
I mycket smala grafen nanoband, med en bredd på en nanometer eller ännu mindre, hur strukturer slutar vid kanten av bandet är också viktigt. Till exempel, skära grafen längs sidan av en hexagon skapar en kant som liknar en fåtölj; detta material kan fungera som en halvledare. Utskärande trianglar från grafen skapar en sicksackkant – och ett material med metalliskt beteende.
Att odla grafen nanoband med kontrollerad bredd och kantstruktur från polymerprekursorer, tidigare forskare hade använt ett metallsubstrat för att katalysera en kemisk reaktion. Dock, metallsubstratet undertrycker användbara kanttillstånd och krymper det önskade bandgapet.
Li och kollegor satte sig för att bli av med detta besvärliga metallsubstrat. Vid Centrum för Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL, de använde spetsen på ett scanningstunnelmikroskop för att injicera antingen negativa laddningsbärare (elektroner) eller positiva laddningsbärare ("hål") för att försöka utlösa den viktigaste kemiska reaktionen. De upptäckte att bara hål utlöste det. De kunde därefter göra ett band som bara var sju kolatomer brett - mindre än en nanometer brett - med kanter i fåtöljens konformation.
"Vi kom på den grundläggande mekanismen, det är, hur laddningsinjektion kan sänka reaktionsbarriären för att främja denna kemiska reaktion, " sa Li. Flyttade spetsen längs polymerkedjan, forskarna kunde välja var de utlöste denna reaktion och omvandla en hexagon av grafengittret åt gången.
Nästa, forskarna kommer att göra heterojunctions med olika prekursormolekyler och utforska funktionaliteter. De är också ivriga att se hur länge elektroner kan färdas i dessa band innan de sprids, och kommer att jämföra det med ett grafen nanoband gjort på ett annat sätt och känt för att leda elektroner extremt bra. Att använda elektroner som fotoner skulle kunna utgöra grunden för en ny elektronisk enhet som kunde bära ström med praktiskt taget inget motstånd, även vid rumstemperatur.
"Det är ett sätt att skräddarsy fysiska egenskaper för energitillämpningar, " Sa Li. "Detta är ett utmärkt exempel på direkt skrivande. Du kan styra omvandlingsprocessen på molekylär eller atomär nivå." Plus, processen skulle kunna skalas upp och automatiseras.
Titeln på den aktuella artikeln är "Kontrollerbar konvertering av kvasi-fristående polymerkedjor till grafennanorband."
