Skanna tunnling mikroskopi bild av en sicksack grafen nanorribbon. Kredit:Felix Fischer/Berkeley Lab
Ända sedan grafen - ett tunt kolskikt som bara är en atoms tjockt - upptäcktes för mer än 15 år sedan, blev undermaterialet en arbetshäst inom materialvetenskaplig forskning. Från detta arbete har andra forskare lärt sig att skära grafen längs kanten av dess bikakegaller skapar endimensionella sicksackgrafenremsor eller nanorband med exotiska magnetiska egenskaper.
Många forskare har försökt att utnyttja nanobands ovanliga magnetiska beteende till kolbaserade spintronics-enheter som möjliggör höghastighets- och lågeffektsdatalagring och informationsbehandlingsteknik genom att koda data genom elektronspin istället för laddning. Men eftersom sicksack nanoband är mycket reaktiva, har forskare brottats med hur man kan observera och kanalisera deras exotiska egenskaper till en verklig enhet.
Nu, som rapporterats i numret den 22 december av tidskriften Nature , har forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och UC Berkeley utvecklat en metod för att stabilisera kanterna på grafennanoband och direkt mäta deras unika magnetiska egenskaper.
Teamet leddes av Felix Fischer och Steven Louie, båda fakultetsforskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, fann att genom att ersätta några av kolatomerna längs bandets sicksackkanter med kväveatomer, kunde de diskret ställa in den lokala elektroniska strukturen utan att störa de magnetiska egenskaperna. Denna subtila strukturella förändring möjliggjorde utvecklingen av en scanningsprobmikroskopiteknik för att mäta materialets lokala magnetism på atomär skala.
"Tidigare försök att stabilisera sicksackkanten förändrade oundvikligen den elektroniska strukturen av själva kanten", säger Louie, som också är professor i fysik vid UC Berkeley. "Detta dilemma har dömt ansträngningar att få tillgång till deras magnetiska struktur med experimentella tekniker, och hittills förvisat deras utforskning till beräkningsmodeller," tillade han.
Guidad av teoretiska modeller designade Fischer och Louie en skräddarsydd molekylär byggsten med ett arrangemang av kol- och kväveatomer som kan kartläggas på den exakta strukturen av de önskade sicksack-grafen-nanorbanden.
För att bygga nanobanden deponeras de små molekylära byggstenarna först på en plan metallyta eller substrat. Därefter värms ytan försiktigt upp, vilket aktiverar två kemiska handtag i vardera änden av varje molekyl. Detta aktiveringssteg bryter en kemisk bindning och lämnar efter sig en mycket reaktiv "klibbig ände."
Varje gång två "klibbiga ändar" möts medan de aktiverade molekylerna breder ut sig på ytan, kombineras molekylerna för att bilda nya kol-kolbindningar. Så småningom bygger processen 1D daisy chains av molekylära byggstenar. Slutligen, ett andra uppvärmningssteg omarrangerar kedjans interna bindningar för att bilda ett grafen nanorband med två parallella sicksackkanter.
"Den unika fördelen med denna molekylära bottom-up-teknik är att alla strukturella egenskaper hos grafenbandet, såsom den exakta positionen för kväveatomerna, kan kodas i den molekylära byggstenen", säger Raymond Blackwell, en doktorand i Fischer-gruppen och medförfattare på tidningen tillsammans med Fangzhou Zhao, en doktorand i Louie-gruppen.
Nästa utmaning var att mäta nanobandens egenskaper.
"Vi insåg snabbt att, för att inte bara mäta utan faktiskt kvantifiera det magnetiska fältet som induceras av de spinnpolariserade nanorribbon-kanttillstånden, måste vi ta itu med ytterligare två problem", säger Fischer, som också är professor i kemi vid UC Berkeley.
Först behövde teamet ta reda på hur man separerar bandets elektroniska struktur från dess substrat. Fischer löste problemet genom att använda en skannande tunnelmikroskopspets för att irreversibelt bryta kopplingen mellan grafennanorbandet och den underliggande metallen.
Den andra utmaningen var att utveckla en ny teknik för att direkt mäta ett magnetfält på nanometerskala. Lyckligtvis fann forskarna att kväveatomerna som ersattes i nanobandens struktur faktiskt fungerade som sensorer i atomskala.
Mätningar vid positionerna för kväveatomerna avslöjade de karakteristiska egenskaperna hos ett lokalt magnetfält längs sicksackkanten.
Beräkningar utförda av Louie med hjälp av beräkningsresurser vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) gav kvantitativa förutsägelser om de interaktioner som uppstår från de spinnpolariserade kanttillstånden hos banden. Mikroskopimätningar av de exakta signaturerna av magnetiska interaktioner matchade dessa förutsägelser och bekräftade deras kvantegenskaper.
"Att utforska och i slutändan utveckla de experimentella verktygen som tillåter rationell ingenjörskonst av dessa exotiska magnetiska kanter öppnar dörren till oöverträffade möjligheter för kolbaserad spintronik", säger Fischer och syftar på nästa generations nanoelektroniska enheter som förlitar sig på elektronernas inneboende egenskaper. Framtida arbete kommer att involvera att utforska fenomen förknippade med dessa egenskaper i specialdesignade sicksack-grafenarkitekturer. + Utforska vidare
