Ett internationellt team av forskare med flera institutioner har syntetiserat grafen-nanoband - ultratunna remsor av kolatomer - på en titandioxidyta med en atomärt exakt metod som tar bort en barriär för specialdesignade kolnanostrukturer som krävs för kvantinformationsvetenskap.

Grafen är sammansatt av enatomtjocka lager av kol som tar emot ultralätt, ledande och extremt starka mekaniska egenskaper. Det populärt studerade materialet lovar att förvandla elektronik och informationsvetenskap på grund av dess mycket inställbara elektroniska, optiska och transportegenskaper.

När de formas till nanorband, grafen skulle kunna appliceras i nanoskala enheter; dock, avsaknaden av precision i atomär skala i att använda nuvarande toppmoderna "top-down" syntetiska metoder – skärning av ett grafenark i atomsmala remsor – stymie grafenens praktiska användning.

Forskare utvecklade en "bottom-up"-metod - att bygga grafen-nanorbandet direkt på atomnivå på ett sätt som kan användas i specifika tillämpningar, som skapades och realiserades vid Center for Nanophase Materials Sciences, eller CNMS, ligger vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory.

Denna absoluta precisionsmetod bidrog till att behålla de uppskattade egenskaperna hos grafenmonoskikt när segmenten av grafen blir mindre och mindre. Bara en eller två atoms skillnad i bredd kan förändra systemets egenskaper dramatiskt, att förvandla ett halvledande band till ett metallband. Teamets resultat beskrevs i Vetenskap .

ORNLs Marek Kolmer, An-Ping Li och Wonhee Ko från CNMS:s Scanning Tunneling Microscopy-grupp samarbetade i projektet med forskare från Espeem, ett privat forskningsföretag, och flera europeiska institutioner:Friedrich Alexander University Erlangen-Nürnberg, Jagiellonian University och Martin Luther University Halle-Wittenberg.

ORNL:s unika expertis inom skanning av tunnelmikroskopi var avgörande för lagets framgång, både vid manipulering av prekursormaterialet och verifiering av resultaten.

"Dessa mikroskop låter dig direkt avbilda och manipulera materia på atomär skala, "Kolmer, en postdoktor och uppsatsens huvudförfattare, sa. "Spetsen på nålen är så fin att den är i stort sett lika stor som en enda atom. Mikroskopet rör sig linje för linje och mäter ständigt interaktionen mellan nålen och ytan och ger en atomärt exakt karta över ytstrukturen."

I tidigare experiment med grafen nanoband, materialet syntetiserades på ett metalliskt substrat, vilket oundvikligen undertrycker nanobandens elektroniska egenskaper.

"Att de elektroniska egenskaperna hos dessa band fungerar som de är designade är hela historien. Ur tillämpningssynpunkt, att använda ett metallsubstrat är inte användbart eftersom det screenar egenskaperna, ", sa Kolmer. "Det är en stor utmaning på det här området – hur kopplar vi effektivt bort nätverket av molekyler för att överföras till en transistor?"

Den nuvarande frikopplingsmetoden innebär att man tar bort systemet från de ultrahöga vakuumförhållandena och försätter det genom en flerstegs våtkemiprocess, vilket kräver att metallsubstratet etsas bort. Denna process strider mot den försiktiga, ren precision som används för att skapa systemet.

För att hitta en process som skulle fungera på ett icke-metalliskt substrat, Kolmer började experimentera med oxidytor, efterliknar de strategier som används på metall. Så småningom, han vände sig till en grupp europeiska kemister som specialiserade sig på fluoroarenkemi och började hitta på en design för en kemisk prekursor som skulle möjliggöra syntes direkt på ytan av rutil titandioxid.

"Syntes på ytan gör att vi kan tillverka material med mycket hög precision och att uppnå det, vi började med molekylära prekursorer, "Li, en senior författare av tidningen som ledde teamet på CNMS, sa. "Reaktionerna vi behövde för att erhålla vissa egenskaper är i huvudsak programmerade i prekursorn. Vi vet vid vilken temperatur en reaktion kommer att inträffa och genom att ställa in temperaturerna kan vi kontrollera reaktionssekvensen."

"En annan fördel med syntes på ytan är den breda poolen av kandidatmaterial som kan användas som prekursorer, möjliggör en hög nivå av programmerbarhet, " tillade Li.

Den exakta appliceringen av kemikalier för att frikoppla systemet bidrog också till att upprätthålla en struktur med öppet skal, ger forskare tillgång på atomnivå att bygga på och studera molekyler med unika kvantegenskaper. "Det var särskilt givande att finna att dessa grafenband har kopplade magnetiska tillstånd, även kallade kvantspinntillstånd, i deras ändar, ", sa Li. "Dessa stater ger oss en plattform för att studera magnetiska interaktioner, med hopp om att skapa qubits för tillämpningar inom kvantinformationsvetenskap." Eftersom det finns små störningar på magnetiska interaktioner i kolbaserade molekylära material, denna metod möjliggör programmering av långvariga magnetiska tillstånd inifrån materialet.

Deras tillvägagångssätt skapar ett högprecisionsband, frikopplad från substratet, vilket är önskvärt för spintroniska och kvantinformationsvetenskapliga tillämpningar. Det resulterande systemet är idealiskt för att utforskas och byggas vidare på, möjligen som en nanoskala transistor eftersom den har ett brett bandgap, över utrymmet mellan elektroniska tillstånd som behövs för att överföra en på/av-signal.