Grafen nanoband har enastående egenskaper som kan kontrolleras exakt. Forskare från Empa och ETH Zürich har i samarbete med partners från Peking University, University of Warwick och Max Planck Institute for Polymer Research lyckats fästa elektroder på individuella atomärt precisa nanoband, vilket banar väg för exakt karaktärisering av de fascinerande banden och deras möjliga användning inom kvantteknologi.
Kvantteknik är lovande, men också förbryllande. Under de kommande decennierna förväntas det ge oss olika tekniska genombrott:mindre och mer exakta sensorer, mycket säkra kommunikationsnätverk och kraftfulla datorer som kan hjälpa till att utveckla nya läkemedel och material, kontrollera finansmarknaderna och förutsäga vädret mycket snabbare än nuvarande datorteknik någonsin skulle kunna.
För att uppnå detta behöver vi så kallade kvantmaterial:ämnen som uppvisar uttalade kvantfysiska effekter. Ett sådant material är grafen. Denna tvådimensionella strukturella form av kol har ovanliga fysikaliska egenskaper, såsom extraordinärt hög draghållfasthet, termisk och elektrisk ledningsförmåga - såväl som vissa kvanteffekter. Att begränsa det redan tvådimensionella materialet ytterligare, till exempel genom att ge det en bandliknande form, ger upphov till en rad kontrollerbara kvanteffekter.
Det är just detta som Mickael Perrins team utnyttjar i sitt arbete. Sedan flera år tillbaka har forskare vid Empas Transport at Nanoscale Interfaces laboratorium, under ledning av Michel Calame, bedrivit forskning om grafen nanoband under Perrins ledning. "Graphene nanorribbons är ännu mer fascinerande än grafen själv," förklarar Perrin. "Genom att variera deras längd och bredd, såväl som formen på deras kanter, och genom att lägga till andra atomer till dem, kan du ge dem alla typer av elektriska, magnetiska och optiska egenskaper."
Obligatorisk precision – ner till enstaka atomer
Forskning om de lovande banden är inte lätt. Ju smalare bandet är, desto mer uttalade är dess kvantegenskaper - men det blir också svårare att komma åt ett enda band åt gången. Detta är precis vad som måste göras för att förstå de unika egenskaperna och möjliga tillämpningarna av detta kvantmaterial och skilja dem från kollektiva effekter.
I en ny studie publicerad i tidskriften Nature Electronics , Perrin och Empa-forskaren Jian Zhang, tillsammans med ett internationellt team, har för första gången lyckats få kontakt med individuella långa och atomärt precisa grafen-nanorband. "Ett grafen nanoband som bara är nio kolatomer brett mäter så lite som 1 nanometer i bredd", säger Zhang. För att säkerställa att endast ett enda nanorband kommer i kontakt, använde forskarna elektroder av liknande storlek. De använde kolnanorör som också bara var 1 nanometer i diameter.
Precision är nyckeln för ett så delikat experiment. Det börjar med källmaterialet. Forskarna skaffade grafen nanobanden via ett starkt och långvarigt samarbete med Empas nanotech@surfaces-laboratorium, som leds av Roman Fasel. "Roman Fasel och hans team har arbetat med grafen nanoband under lång tid och kan syntetisera många olika typer med atomär precision från individuella prekursormolekyler," förklarar Perrin. Prekursormolekylerna kom från Max Planck Institute for Polymer Research i Mainz.
Som ofta krävs för att utveckla den senaste tekniken är tvärvetenskaplighet nyckeln, och olika internationella forskargrupper var involverade, som var och en tog in sin egen specialitet till bordet. Kolnanorören odlades av en forskargrupp vid Peking University, och för att tolka resultaten av studien samarbetade Empa-forskarna med beräkningsforskare vid University of Warwick. "Ett projekt som detta skulle inte vara möjligt utan samarbete", betonar Zhang.
Att kontakta enskilda band med nanorör var en stor utmaning för forskarna. "Kolnanorören och grafennanorbanden odlas på separata substrat", förklarar Zhang. "Först måste nanorören överföras till enhetens substrat och kontaktas av metallelektroder. Sedan skär vi dem med högupplöst elektronstrålelitografi för att separera dem i två elektroder." Slutligen överförs banden till samma substrat. Precision är nyckeln:Även den minsta rotation av substraten kan avsevärt minska sannolikheten för framgångsrik kontakt. "Att ha tillgång till högkvalitativ infrastruktur vid Binnig and Roher Nanotechnology Center vid IBM Research i Rüschlikon var avgörande för att testa och implementera denna teknik", säger Perrin.
Från datorer till energiomvandlare
Forskarna bekräftade framgången med deras experiment genom laddningstransportmätningar. "Eftersom kvanteffekter vanligtvis är mer uttalade vid låg temperatur, utförde vi mätningarna vid temperaturer nära absolut noll i ett högvakuum", förklarar Perrin. Han tillägger, "På grund av den extremt lilla storleken på dessa nanoband förväntar vi oss att deras kvanteffekter är så robusta att de är observerbara även vid rumstemperatur."
Detta, säger forskaren, skulle kunna göra det möjligt för oss att designa och driva chips som aktivt utnyttjar kvanteffekter utan behov av en utarbetad kylinfrastruktur.
"Detta projekt möjliggör förverkligandet av enheter med enstaka nanoband, inte bara för att studera grundläggande kvanteffekter som hur elektroner och fononer beter sig på nanoskala, utan också för att utnyttja sådana effekter för tillämpningar inom kvantomkoppling, kvantavkänning och kvantenergiomvandling." tillägger Hatef Sadeghi, en professor vid University of Warwick som samarbetade i projektet.
Grafen nanoband är inte redo för kommersiella tillämpningar ännu, och det finns fortfarande mycket forskning att göra. I en uppföljningsstudie syftar Zhang och Perrin till att manipulera olika kvanttillstånd på ett enda nanorband. Dessutom planerar de att skapa enheter baserade på två seriekopplade band, som bildar en så kallad dubbel kvantprick.
En sådan krets skulle kunna fungera som en qubit - den minsta informationsenheten i en kvantdator. Perrin planerar att utforska användningen av nanoband som högeffektiva energiomvandlare.
Mer information: Jian Zhang et al., Att kontakta individuella grafen nanorribbons med hjälp av kolnanorörselektroder, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00991-3
Journalinformation: Naturelektronik
Tillhandahålls av Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology
