Ett internationellt forskarlag under ledning av universitetet i Köln har för första gången lyckats koppla ihop flera atomärt precisa nanoband gjorda av grafen, en modifiering av kol, att bilda komplexa strukturer. Forskarna har syntetiserat och spektroskopiskt karakteriserat nanoribbon heterojunctions. De kunde sedan integrera heterojunctions i en elektronisk komponent. På det här sättet, de har skapat en ny sensor som är mycket känslig för atomer och molekyler. Resultaten av deras forskning har publicerats under titeln "Tunnelströmmodulering i atomiskt precisa grafen nanoribbon heterojunctions" i Naturkommunikation . Arbetet utfördes i nära samarbete mellan Institutet för experimentell fysik och Institutionen för kemi vid universitetet i Köln, såväl som med forskargrupper från Montreal, Novosibirsk, Hiroshima, och Berkeley. Det finansierades av den tyska forskningsstiftelsen (DFG) och Europeiska forskningsrådet (ERC).

Heterojunctions av grafen nanorribbons är bara en nanometer - en miljondels millimeter - breda. Grafen består av endast ett enda lager av kolatomer och anses vara det tunnaste materialet i världen. 2010, forskare i Manchester lyckades göra enatomslager av grafen för första gången, som de vann Nobelpriset för. "De grafennanorbands-heteroövergångar som används för att göra sensorn är var och en sju och fjorton kolatomer breda och cirka 50 nanometer långa. Det som gör dem speciella är att deras kanter är fria från defekter. Det är därför de kallas "atomiskt exakta" nanoband, " förklarade Dr. Boris Senkovskiy från Institutet för experimentell fysik. Forskarna kopplade ihop flera av dessa nanorribbon heterojunctions vid deras korta ändar, skapar därmed mer komplexa heterostrukturer som fungerar som tunnlingsbarriärer.

Heterostrukturerna undersöktes med hjälp av vinkelupplöst fotoemission, optisk spektroskopi, och scanning tunnelmikroskopi. I nästa steg, de genererade heterostrukturerna integrerades i en elektronisk enhet. Den elektriska strömmen som flyter genom nanobandets heterostruktur styrs av den kvantmekaniska tunneleffekten. Detta innebär att under vissa förutsättningar, elektroner kan övervinna befintliga energibarriärer i atomer genom att "tunnela, ' så att en ström då flyter trots att barriären är större än elektronens tillgängliga energi.

Forskarna byggde en ny sensor för adsorption av atomer och molekyler från nanobandets heterostruktur. Tunnelströmmen genom heterostrukturen är särskilt känslig för adsorbater som ackumuleras på ytor. Det är, strömstyrkan ändras när atomer eller molekyler, såsom gaser, samlas på sensorns yta. "Prototypsensorn vi byggt har utmärkta egenskaper. Bl.a. den är särskilt känslig och kan användas för att mäta även de minsta mängder adsorbater, " sade professor Dr Alexander Grüneis, chef för en forskargrupp vid Institutet för experimentell fysik.