I 15 år, forskare har försökt utnyttja "mirakelmaterialet" grafen för att producera elektronik i nanoskala. På papper, grafen borde vara bra för just det:det är ultratunt - bara en atom tjockt och därför tvådimensionellt, den är utmärkt för att leda elektrisk ström, och har stora löften för framtida former av elektronik som är snabbare och mer energieffektiv. Dessutom, grafen består av kolatomer – som vi har ett obegränsat utbud av.

I teorin, grafen kan förändras för att utföra många olika uppgifter inom t.ex. elektronik, fotonik eller sensorer helt enkelt genom att skära små mönster i den, eftersom detta i grunden förändrar dess kvantegenskaper. En "enkel" uppgift, vilket har visat sig vara förvånansvärt svårt, är att inducera ett bandgap – vilket är avgörande för att göra transistorer och optoelektroniska enheter. Dock, eftersom grafen bara är en tjock atom är alla atomer viktiga och även små oregelbundenheter i mönstret kan förstöra dess egenskaper.

"Grafen är ett fantastiskt material, som jag tror kommer att spela en avgörande roll för att göra ny elektronik i nanoskala. Problemet är att det är extremt svårt att konstruera de elektriska egenskaperna, säger Peter Bøggild, professor vid DTU Fysik.

Center for Nanostructured Grapheneat DTU och Aalborg Universitet bildades 2012 specifikt för att studera hur grafens elektriska egenskaper kan skräddarsys genom att ändra dess form i extremt liten skala. När man faktiskt mönstrar grafen, teamet av forskare från DTU och Aalborg upplevde samma sak som andra forskare världen över:det fungerade inte.

"När du gör mönster i ett material som grafen, du gör det för att ändra dess egenskaper på ett kontrollerat sätt – för att matcha din design. Dock, vad vi har sett genom åren är att vi kan göra hålen, men inte utan att introducera så mycket oordning och kontaminering att den inte längre beter sig som grafen. Det påminner lite om att göra ett vattenrör som delvis är blockerat på grund av dålig tillverkning. På utsidan, det kan se bra ut, men vatten kan inte rinna fritt. För elektronik, det är uppenbarligen katastrofalt, säger Peter Bøggild.

Nu, teamet av forskare har löst problemet. Resultaten publiceras i Naturens nanoteknik .Två postdoktorer från DTU Fysik, Bjarke Jessen och Lene Gammelgaard, första inkapslade grafen inuti ett annat tvådimensionellt material - hexagonal bornitrid, ett icke-ledande material som ofta används för att skydda grafens egenskaper.

Nästa, de använde en teknik som kallas elektronstrålelitografi för att noggrant mönstra det skyddande lagret av bornitrid och grafen nedan med en tät samling av ultrasmå hål. Hålen har en diameter på ca. 20 nanometer, med bara 12 nanometer mellan dem – dock, ojämnheten vid kanten av hålen är mindre än 1 nanometer, eller en miljarddels meter. Detta tillåter 1000 gånger mer elektrisk ström att flöda än vad som hade rapporterats i så små grafenstrukturer. Och inte bara det.

"Vi har visat att vi kan styra grafens bandstruktur och designa hur det ska bete sig. När vi kontrollerar bandstrukturen, vi har tillgång till alla grafens egenskaper – och vi fann till vår förvåning att några av de mest subtila kvantelektroniska effekterna överlever den täta mönstringen – det är extremt uppmuntrande. Vårt arbete föreslår att vi kan sitta framför datorn och designa komponenter och enheter – eller hitta på något helt nytt – och sedan gå till laboratoriet och förverkliga dem i praktiken, säger Peter Bøggild. Han fortsätter:

"Många forskare hade för länge sedan övergett att försöka nanolitografi i grafen i denna skala, och det är väldigt synd, eftersom nanostrukturering är ett avgörande verktyg för att utnyttja de mest spännande egenskaperna hos grafenelektronik och fotonik. Nu har vi listat ut hur det kan göras; man kan säga att förbannelsen är upphävd. Det finns andra utmaningar, men det faktum att vi kan skräddarsy elektroniska egenskaper hos grafen är ett stort steg mot att skapa ny elektronik med extremt små dimensioner, säger Peter Bøggild.