Grafen nanorribbons (GNR) är smala och långa remsor av grafen med bredder under 100 nm. GNR:er som har släta kanter, ett stort bandgap och hög laddningsbärares rörlighet kan vara mycket värdefullt för ett brett utbud av elektroniska och optoelektroniska applikationer. Än så länge, dock, ingenjörer har ännu inte introducerat en metod för att förbereda dessa användbara komponenter i stor skala.

Forskare vid Shanghai Jiao Tong University, Stanford University, och andra institut i USA och Kina, har nyligen utarbetat en ny strategi för att skapa GNR:er med släta kanter som är under 10 nm i bredd. Den här metoden, presenteras i en tidning publicerad i Naturelektronik , är baserad på användningen av squashed carbon nanorubes (CNTs), rör gjorda av kol som vanligtvis har diametrar i nanometerskalan.

"Tanken bakom vårt arbete är att om kolnanorör (CNT) kan klämmas in i GNR, vi skulle kunna producera smala (under 5 nm breda) GNR från CNT som har små diametrar, " Prof. Changxin Chen och Wendy L. Mao, två av forskarna som genomförde studien, berättade Phys.org . "Dessutom, de GNR som framställs med denna metod kommer att vara mycket smalare än de som erhållits med tidigare metoder."

Den nyligen genomförda studien av professor Chen, Mao, Prof. Hongjie Dai och deras kollegor var en gemensam ansträngning mellan deras respektive forskargrupper vid Shanghai Jiao Tong University och Stanford University, med ytterligare input från andra institutioner. Ett team under ledning av professor Chen och Dai utvecklade huvudsakligen metoden och processerna för högtrycks-/värmebehandlingen för att krossa CNT till GNR, samt att samla in karakteriseringar av de förberedda GNR:erna, beräkningar och mätningar av enhetens prestanda. Prof. Wendy Maos forskargrupp genomförde experimenten med högtrycksdiamantstädcell (DAC) genom vilka CNTs klämdes.

Ett annat mål med detta nyligen genomförda samarbete var att uppnå atomärt jämna kanter genom hela GNR, genom att bilda kantstängda GNR:er som uppvisade hög material- och enhetsrörlighet. För att producera sina under 10 nm breda och långa GNR:er med atomärt släta slutna kanter, forskarna klämde ihop CNT med hjälp av högtrycks- och termisk behandlingsmetod som utarbetats av Chen och hans team.

"Vi använde en DAC för högtrycksbehandling av CNT, Chen och Mao förklarade. "CNT-proverna förseglades i en provkammare i DAC:n och pressades sedan ihop mellan spetsarna på två diamantstäd. För att stabilisera den sammanpressade provstrukturen, vi genomförde en termisk behandling på provet medan det var under högt tryck."

GNR skapade av Chen, Mao, Dai och deras kollegor har atomärt slät, stängda kanter och mycket få defekter. Med hjälp av metoden de utarbetade, teamet kunde till och med producera sub-5 nm GNR med en minsta bredd på 1,4 nm. Anmärkningsvärt, de fann att en fälteffekttransistor (FET) baserad på en 2,8 nm bred kantstängd GNR uppvisade en hög jag _på / jag _av förhållandet> 10 ⁴ , fälteffektmobilitet på 2, 443 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ och on-state kanalkonduktivitet på 7,42 mS.

"Vår forskning bevisar att halvledande grafen-nanorband under 10 nm breda med atomärt släta slutna kanter kan produceras genom att klämma kolnanorör med en kombinerad högtrycks- och värmebehandling, " sa Chen och Mao. "Med detta tillvägagångssätt, nanorband så smala som 1,4 nm kan skapas. De kantöppnade nanorbanden tillverkades också med salpetersyra som oxidationsmedel för att selektivt etsa kanterna på de klämda nanorören under högt tryck."

Studien kan få viktiga konsekvenser för utvecklingen av nya elektroniska och optoelektroniska enheter. I framtiden, metoden utarbetad av Chen, Mao, Dai och deras kollegor skulle kunna användas för att producera högkvalitativa, smal, och långa halvledande GNR.

Dessutom, deras tillverkningsstrategi tillåter ingenjörer att kontrollera en GNR:s kanttyper. Detta skulle kunna hjälpa till att utforska de grundläggande egenskaperna och praktiska tillämpningarna av GNR:er inom elektronik och optoelektronik ytterligare. I sista hand, metoden utvecklad av Chen, Mao, Dai och deras kollegor skulle också kunna anpassas för att också syntetisera andra önskvärda materialbaserade nanoband med hjälp av klämda nanorör eller för att platta till andra fullerenmaterial.

"Now that we have demonstrated the potential of our approach, we are investigating ways to make the synthesis conditions more practical and ways to scale up the synthesis of GNRs (e.g., decreasing the pressure needed for squashing CNTs by regulating the temperature of the sample in the high-pressure treatment or introducing additional deviatoric-stress component in the pressure), " Chen and Mao added. "In our next studies, we also plan to explore more unique characteristics of the edge-closed GNRs we created."

© 2021 Science X Network