Forskare från University of Strasbourg &CNRS (Frankrike), i samarbete med University of Mons (Belgien), Max Planck Institute for Polymer Research (Tyskland) och Technische Universität Dresden (Tyskland), har utarbetat en ny supramolekylär strategi för att införa justerbara 1D-periodiska potentialer vid självmontering av ad hoc organiska byggstenar på grafen, öppnar vägen för förverkligandet av hybridorganiska – oorganiska flerlagermaterial med unika elektroniska och optiska egenskaper. Dessa resultat har publicerats i Naturkommunikation .

Vertikala staplar av olika tvådimensionella (2-D) kristaller, såsom grafen, bornitrid, etc., som hålls samman av svaga van der Waals -krafter kallas vanligen "van der Waals heterostrukturer". Sådana sofistikerade flerskiktsstrukturer kan användas som en mångsidig plattform för undersökning av olika fenomen på nanoskala. Särskilt, mekanisk överlagring av 2-D-kristallerna genererar 2-D periodiska potentialer som ger systemets okonventionella fysiska och kemiska egenskaper.

Här tillämpade ett team av europeiska forskare ett supramolekylärt tillvägagångssätt för att bilda självmonterade organiska molekylära galler med en kontrollerad geometri och atomprecision ovanpå grafen, inducera periodiska 1D -potentialer i de resulterande organiskt -oorganiska hybrid -heterostrukturerna. I det syftet, molekylära byggstenar utformades noggrant och syntetiserades. De är utrustade med (i) en lång alifatisk svans, styra självmonteringen och potentialens periodicitet, och (ii) en fotoreaktiv diazirinhuvudgrupp, vars dipolmoment modulerar det underliggande grafenarkets ytpotential. Vid bestrålning med ultraviolett (UV) ljus före deponering på grafen, diazirindelen klyvs och en reaktiv karbensort bildas. Den senare är benägen att reagera med lösningsmedelsmolekyler, vilket leder till en blandning av nya föreningar med olika funktioner.

Scanning tunneling microscope (STM) avbildning användes för att karakterisera nanoskala arrangemanget av de supramolekylära gitter som bildas på grafit och grafenytor, som bestämmer periodiciteten och geometrin hos de inducerade potentialerna. Elektrisk karakterisering utfördes sedan på grafenbaserade fälteffektanordningar för att bedöma effekten av de olika självmonterade organiska skikten på de elektriska egenskaperna hos 2-D-materialet. Beräkningssimuleringar tillåts att upptäcka interaktionerna mellan den molekylära enheten med grafen; en teoretisk analys bekräftade vidare att dopningseffekternas ursprung fullt ut kan hänföras till orienteringen av elektriska dipoler i huvudgrupperna. Till sist, en periodisk potential med samma geometri men en annan intensitet kan genereras från ett supramolekylärt gitter framställt efter UV -bestrålning av det molekylära byggstenen i ett annat lösningsmedel.

På det här sättet, forskarna lyckades visa att organiska supramolekylära gitter är lämpliga för att skapa kontrollerbara 1D periodiska potentialer på ytan av grafen. Intressant, periodiciteten, amplitud och tecken på de inducerade potentialerna kan förprogrammeras och justeras genom noggrann molekylär design. Denna botten-upp-supramolekylära metod kan utökas och appliceras på andra oorganiska 2-D-material, såsom övergångsmetall-dikalkogenider, banar väg för mer komplexa van der Waals heterostrukturer med flera lager. Dessa fynd är av stor betydelse för förverkligandet av organiskt -oorganiska hybridmaterial med kontrollerbara strukturella och elektroniska egenskaper med oöverträffad elektrisk, magnetisk, piezoelektriska och optiska funktioner.