Ryska forskare har föreslagit en ny metod för att syntetisera högkvalitativa grafennanorband – ett material med potential för tillämpningar inom flexibel elektronik, solceller, lysdioder, lasrar, och mer. Presenteras i Journal of Physical Chemistry C , det ursprungliga tillvägagångssättet för kemisk ångavsättning, ger en högre avkastning till en lägre kostnad, jämfört med den för närvarande använda nanobandsjälvmonteringen på ädelmetallsubstrat.

Kiselbaserad elektronik närmar sig stadigt sina gränser, och man undrar vilket material som skulle kunna ge våra enheter nästa stora push. grafen, 2D-skiktet av kolatomer, kommer att tänka på men trots alla dess berömda elektroniska egenskaper, den har inte vad som krävs:Till skillnad från kisel, grafen har inte förmågan att växla mellan ett ledande och ett icke-ledande tillstånd. Denna definierande egenskap hos halvledare som kisel är avgörande för att skapa transistorer, som ligger bakom all elektronik.

Dock, när du skär grafen i smala band, de får halvledande egenskaper, förutsatt att kanterna har rätt geometri och att det inte finns några strukturella defekter. Sådana nanoband har redan använts i experimentella transistorer med ganska bra egenskaper, och materialets elasticitet gör att enheterna kan göras flexibla. Även om det är tekniskt utmanande att integrera 2D-material med 3D-elektronik, det finns inga grundläggande skäl till varför nanoband inte skulle kunna ersätta kisel.

Ett mer praktiskt sätt att få grafen nanoband är inte genom att skära upp grafenark eller nanorör utan tvärtom, genom att växa materialet atom för atom. Detta tillvägagångssätt är känt som bottom-up-syntes, och till skillnad från dess top-down motsvarighet, det ger strukturellt perfekt, och därför tekniskt användbar, nanorband. Den för närvarande dominerande metoden för bottom-up-syntes, känd som självmontering, är kostsamt och svårt att skala upp för industriell produktion, så materialforskare söker alternativ till det.

"Graphene nanorribbons är ett material vars egenskaper är av intresse för fundamental vetenskap och har ett löfte för tillämpningar i alla möjliga futuristiska enheter. standardtekniken för dess syntes har några nackdelar, " förklarade Pavel Fedotov, en senior forskare vid MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials. "Att upprätthålla ultrahögt vakuum och använda ett guldsubstrat är mycket kostsamt, och produktionen av material är jämförelsevis låg."

"Mina kollegor och jag har föreslagit ett alternativt sätt att syntetisera atomiskt felfria nanoband. Det fungerar inte bara under normalt vakuum och med det mycket billigare nickelsubstratet, utbytet ökar genom att nanobanden produceras som flerskiktsfilmer, snarare än individuellt. För att separera dessa filmer i enskiktsband, de sätts i suspension, " fortsatte forskaren. "Viktigt, inget av det kompromissar med kvaliteten på materialet. Vi bekräftade frånvaron av defekter genom att skaffa lämpliga Raman-spridningsprofiler och observera fotoluminescens av våra nanoband."

Grafen nanoband finns i olika typer, och de som de ryska forskarna tillverkade med sin ursprungliga kemiska ångavsättningsteknik har strukturen som avbildas till höger i figuren. De är sju atomer breda och har kanter som någon hittat påminner om en fåtölj, därav namnet:7-A grafen nanorribbons. Denna typ av nanoband har de halvledande egenskaperna värdefulla för elektronik, till skillnad från sin 7-Z kusin med sicksackkanter (visas till vänster), som beter sig som en metall.

Syntesen sker i ett lufttätt glasrör som evakuerats till en miljondel av standardatmosfärstrycket, som fortfarande är 10, 000 gånger högre än det ultrahöga vakuum som normalt krävs för självmontering av nanorband. Det initiala reagenset som används är ett fast ämne som innehåller kol, väte, och brom och känd som DBBA. Den placeras i röret med en nickelfolie, förglödgad vid 1, 000 grader Celsius för att ta bort oxidfilm. Glasröret med DBBA utsätts sedan för värmebehandling i flera timmar i två steg:först vid 190 C, sedan vid 380 C. Den första uppvärmningen leder till bildandet av långa polymermolekyler, och under det andra steget, de förvandlas till nanorband med atomärt exakt struktur, tätt packade i filmer som är upp till 1, 000 nanometer tjock.

Efter att ha fått filmerna, forskarna suspenderade dem i en lösning och exponerade dem för ultraljud, bryta upp flerskikts-"staplarna" till en atoms tjocka kolnanoband. De använda lösningsmedlen var klorbensen och toluen. Tidigare experiment visade att dessa kemikalier är optimala för att suspendera nanoband på ett stabilt sätt, förhindrar aggregering tillbaka till staplar och uppkomsten av strukturella defekter. Kvalitetskontroll av nanorribbon gjordes också i suspension, via optiska metoder:Analysen av Raman-spridnings- och fotoluminescensdata bekräftade att materialet inte hade några signifikanta defekter.

Eftersom den nya syntestekniken för tillverkning av defektfria flerlagers 7-A kolnanorband är jämförelsevis billig och lätt att skala upp, det är ett viktigt steg mot att introducera det materialet i den storskaliga produktionen av elektroniska och optiska enheter som så småningom skulle avsevärt överträffa de som finns idag.

"Erfarenheten visar att när ett nytt kolmaterial har upptäckts, det innebär nya egenskaper och nya applikationer. Och grafen nanoband var inte annorlunda, "chefen för MIPT Laboratory of Nanocarbon Materials, Elena Obraztsova återkallade. "Initialt, nanorband syntetiserades inuti enkelväggiga kolnanorör, vilket tjänade till att begränsa bandbredden. Det var på dessa inbäddade nanoband som luminescens ursprungligen demonstrerades, med dess parametrar som varierar med nanorörsgeometri."

"Vårt nya tillvägagångssätt - kemisk ångdeposition nedifrån och upp - gör det möjligt att producera ultrasmala grafenband i stora mängder och under ganska milda förhållanden:måttligt vakuum, nickelsubstrat. Det resulterande materialet uppvisar ljus excitonisk fotoluminescens. Det är lovande för många tillämpningar inom olinjär optik, som vi ska följa, ", tillade forskaren.