Grafen nanoband (GNR), smala remsor av enskiktsgrafen, har intressanta fysiska, elektrisk, termisk, och optiska egenskaper på grund av samspelet mellan deras kristall- och elektroniska strukturer. Dessa nya egenskaper har drivit dem i framkant i sökandet efter sätt att utveckla nästa generations nanoteknik.

Medan nedifrån-och-upp-tillverkningstekniker nu tillåter syntes av ett brett utbud av grafen-nanorband som har väldefinierade kantgeometrier, bredder, och heteroatominkorporering, frågan om huruvida strukturell störning finns i dessa atomärt exakta GNR, och i vilken utsträckning, är fortfarande föremål för debatt. Svaret på denna gåta är av avgörande betydelse för alla potentiella applikationer eller resulterande enheter.

Samarbete mellan Oleg Yazyevs ordförande för Computational Condensed Matter Physics teorigrupp vid EPFL och Roman Fasels experimentella nanotech@surfaces Laboratory på Empa har producerat två artiklar som tittar på denna fråga i fåtöljkantade och sicksackkantade grafen nanoband.

"Ofullkomligheter är kända för att spela en viktig roll för att forma ett antal funktioner i kristaller, sa Michele Pizzochero, tidigare Ph.D. student i Oleg Yazyevs labb vid EPFL och nu postdoktor vid Harvard University. "I dessa tidningar, vi har avslöjat allestädes närvarande "bettdefekter", nämligen saknade grupper av kolatomer, som den huvudsakliga typen av strukturell störning i grafen nanoband tillverkade via syntes på ytan. Även om vi fann att bettdefekter försämrar prestandan hos elektroniska enheter baserade på grafen nanoband, i vissa fall kan dessa brister erbjuda spännande möjligheter för spintroniska tillämpningar tack vare deras speciella magnetiska egenskaper."

Fåtölj grafen nanorband

Uppsatsen "Kvantum elektronisk transport över "bett" defekter i grafen nanoband, " nyligen publicerad i 2D-material , tittar specifikt på 9-atoms breda fåtöljsgrafen nanorribbons (9-AGNRs). Den mekaniska robustheten, långsiktig stabilitet under omgivningsförhållanden, enkel överföring till målsubstrat, skalbarhet av tillverkning, och lämplig bandgapbredd för dessa GNR har gjort dem till en av de mest lovande kandidaterna för integration som aktiva kanaler i fälteffekttransistorer (FET). Verkligen, bland de grafenbaserade elektroniska enheter som hittills har realiserats, 9-AGNR-FET visar högsta prestanda.

Även om den skadliga rollen av defekter på elektroniska enheter är välkänd, Schottky barriärer, potentiella energibarriärer för elektroner som bildas vid metall-halvledarövergångar, både begränsar prestandan hos nuvarande GNR-FET och förhindrar experimentell karaktärisering av inverkan av defekter på enhetens prestanda. I den 2D-material papper, forskarna kombinerar experimentella och teoretiska metoder för att undersöka defekter i bottom-up AGNR.

Scanning-tunneling och atomkraftsmikroskoper gjorde det först möjligt för forskarna att identifiera saknade bensenringar vid kanterna som en mycket vanlig defekt i 9-AGNR och att uppskatta både densiteten och den rumsliga fördelningen av dessa ofullkomligheter, som de har kallat "bettfel". De kvantifierade densiteten och fann att de har en stark tendens att aggregera. Forskarna använde sedan första principberäkningar för att utforska effekten av sådana defekter på kvantladdningstransport, upptäcker att dessa ofullkomligheter avsevärt stör det vid bandkanterna genom att minska konduktansen.

Dessa teoretiska fynd generaliseras sedan till bredare nanoband på ett systematiskt sätt, tillåta forskarna att fastställa praktiska riktlinjer för att minimera den skadliga rollen av dessa defekter på laddningstransport, ett instrumentellt steg mot förverkligandet av nya kolbaserade elektroniska enheter.

Sicksack grafen nanoband

I uppsatsen "Edge disorder in bottom-up zigzag graphene nanoribbons:implikations for magnetism and quantum electronic transport, " nyligen publicerad i The Journal of Physical Chemistry Letters , samma team av forskare kombinerar skanningssondsmikroskopi och första principberäkningar för att undersöka strukturell störning och dess effekt på magnetism och elektronisk transport i så kallade bottom-up zigzag GNRs (ZGNRs).

ZGNR är unika på grund av sin okonventionella metallfria magnetiska ordning som, enligt förutsägelser, bevaras upp till rumstemperatur. De har magnetiska moment som är kopplade ferromagnetiskt längs kanten och antiferromagnetiskt över den och det har visat sig att de elektroniska och magnetiska strukturerna kan moduleras i stor utsträckning av, till exempel, avgiftsdopning, elektriska fält, gitterdeformationer, eller defekt teknik. Kombinationen av avstämbara magnetiska korrelationer, Ansenlig bandgapbredd och svaga spin-orbit-interaktioner har gjort dessa GNR:er lovande kandidater för spinnlogikoperationer. Studien tittar specifikt på sex-koliga sicksacklinjer breda grafen nanorribbons (6-ZGNRs), den enda bredd av ZGNRs som hittills har uppnåtts med en bottom-up-strategi.

Återigen genom att använda scanning-tunneling och atomkraftsmikroskoper, forskarna identifierar först förekomsten av allestädes närvarande defekter i kol som finns vid kanterna på nanobanden och löser sedan deras atomära struktur. Deras resultat indikerar att varje vakans omfattar en saknad m-xylenenhet, det är, en annan "bett" defekt, som, som med de som ses i AGNRs, kommer från klippningen av C-C-bindningen som sker under reaktionens cyklodehydreringsprocessen. Forskare uppskattar tätheten av "bett"-defekter i 6-ZGNR:erna för att vara större än motsvarande defekter i bottom-up AGNR:er.

Effekten av dessa bettdefekter på den elektroniska strukturen och kvanttransportegenskaperna hos 6-ZGNRs undersöks återigen teoretiskt. De finner att införandet av defekten, på samma sätt som AGNR, orsakar en betydande störning av konduktansen. Vidare, i denna nanostruktur, dessa oavsiktliga defekter inducerar subgitter och spin obalans, orsakar ett lokalt magnetiskt ögonblick. Detta, i tur och ordning, ger upphov till spinnpolariserad laddningstransport som gör defekta sicksack-nanoband optimalt lämpade för applikationer i helt kol-logik spintronik i den yttersta gränsen för skalbarhet.

En jämförelse mellan ZGNR och AGNR med samma bredd visar att transport över den förra är mindre känslig för införandet av både enstaka och multipla defekter än i den senare. Övergripande, forskningen ger en global bild av effekterna av dessa allestädes närvarande "bettdefekter" på den elektroniska strukturen med låg energi hos grafennanorribbons nedifrån och upp. Framtida forskning kan fokusera på undersökningen av andra typer av punktdefekter som experimentellt observerats vid kanterna av sådana nanoband, sa forskarna.