Graphene nanoribbons (GNR’s), smalle stroken enkellaags grafeen, hebben interessante fysische, elektrische, thermische en optische eigenschappen vanwege het samenspel tussen hun kristal- en elektronische structuren. Deze nieuwe kenmerken hebben hen naar de voorgrond geduwd in de zoektocht naar manieren om de volgende generatie nanotechnologieën vooruit te helpen.
Hoewel bottom-up fabricagetechnieken nu de synthese mogelijk maken van een breed scala aan grafeen nanoribbons met goed gedefinieerde randgeometrieën, breedtes en heteroatoom-incorporaties, is de vraag of er al dan niet structurele wanorde aanwezig is in deze atomair nauwkeurige GNR’s, en tot welke mate, is nog onderwerp van discussie. Het antwoord op dit raadsel is van cruciaal belang voor mogelijke toepassingen of resulterende apparaten.
De samenwerking tussen de leerstoel Computational Condensed Matter Physics-theoriegroep van Oleg Yazyev bij EPFL en het experimentele nanotech @ -oppervlakkenlaboratorium van Roman Fasel in Empa heeft twee artikelen geproduceerd die naar deze kwestie kijken in grafeen-nanolinten met leunstoelen en zigzag-randen.
“Het is bekend dat imperfecties een belangrijke rol spelen bij het vormgeven van een aantal functionaliteiten in kristallen,” zei Michele Pizzochero, voorheen een Ph.D. student in het laboratorium van Oleg Yazyev bij EPFL en nu postdoctoraal onderzoeker aan de Harvard University. “In deze artikelen hebben we alomtegenwoordige ‘bijt’-defecten onthuld, namelijk ontbrekende groepen koolstofatomen, als het belangrijkste type structurele wanorde in grafeen nanoribbons vervaardigd via synthese op het oppervlak. Hoewel we ontdekten dat bijtdefecten de prestaties van elektronische apparaten op basis van grafeen-nanoribbons verminderen, kunnen deze onvolkomenheden in sommige gevallen opwindende kansen bieden voor spintronische toepassingen dankzij hun eigenaardige magnetische eigenschappen.”
Fauteuil grafeen nanoribbons
De krant “Quantum elektronisch transport over “beet” defecten in grafeen nanoribbons,” onlangs gepubliceerd in 2D-materialen, kijkt specifiek naar grafeen nanoribbons met een breedte van 9 atomen (9-AGNR’s). De mechanische robuustheid, langdurige stabiliteit onder omgevingsomstandigheden, gemakkelijke overdraagbaarheid op doelsubstraten, schaalbaarheid van fabricage en geschikte bandafstandbreedte van deze GNR’s hebben ze tot een van de meest veelbelovende kandidaten gemaakt voor integratie als actieve kanalen in veldeffecttransistors (FET’s). Inderdaad, van de op grafeen gebaseerde elektronische apparaten die tot nu toe zijn gerealiseerd, vertonen 9-AGNR-FET’s de hoogste prestaties.
Hoewel de schadelijke rol van defecten op elektronische apparaten algemeen bekend is, beperken Schottky-barrières, potentiële energiebarrières voor elektronen gevormd op metaal-halfgeleiderovergangen, beide de prestaties van huidige GNR-FET’s en voorkomen ze experimentele karakterisering van de impact van defecten op de apparaatprestaties. In de 2D-materialen paper combineren de onderzoekers experimentele en theoretische benaderingen om defecten in bottom-up AGNR’s te onderzoeken.
Scanning-tunneling en atomaire-krachtmicroscopieën lieten de onderzoekers eerst toe om ontbrekende benzeenringen aan de randen te identificeren als een veel voorkomend defect in 9-AGNR en om zowel de dichtheid als de ruimtelijke verdeling van deze onvolkomenheden te schatten, die ze hebben genoemd “beet” gebreken. Ze kwantificeerden de dichtheid en ontdekten dat ze een sterke neiging hebben om te aggregeren. De onderzoekers gebruikten vervolgens first-principle-berekeningen om het effect van dergelijke defecten op het kwantumladingstransport te onderzoeken, waarbij ze ontdekten dat deze imperfecties het aan de bandranden significant verstoren door de geleiding te verminderen.
Deze theoretische bevindingen worden vervolgens op een systematische manier gegeneraliseerd naar bredere nanoribbons, waardoor de onderzoekers praktische richtlijnen kunnen opstellen voor het minimaliseren van de schadelijke rol van deze defecten op ladingstransport, een belangrijke stap in de richting van de realisatie van nieuwe op koolstof gebaseerde elektronische apparaten.
Zigzag grafeen nanoribbons
In de krant “Randafwijking in bottom-up zigzag grafeen nanoribbons: implicaties voor magnetisme en kwantumelektronica,” onlangs gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letterscombineert hetzelfde team van onderzoekers scanning-probe-microscopie-experimenten en eerste-principesberekeningen om structurele wanorde en het effect ervan op magnetisme en elektronisch transport in zogenaamde bottom-up zigzag GNR’s (ZGNR’s) te onderzoeken.
ZGNR’s zijn uniek vanwege hun onconventionele metaalvrije magnetische volgorde die, volgens voorspellingen, tot kamertemperatuur bewaard blijft. Ze bezitten magnetische momenten die ferromagnetisch langs de rand en antiferromagnetisch erover zijn gekoppeld en het is aangetoond dat de elektronische en magnetische structuren in hoge mate kunnen worden gemoduleerd door bijvoorbeeld ladingsdotering, elektrische velden, roostervervormingen of defectengineering. . De combinatie van afstembare magnetische correlaties, aanzienlijke bandafstandbreedte en zwakke spin-baaninteracties heeft deze GNR’s veelbelovende kandidaten gemaakt voor spinlogica-operaties. De studie kijkt specifiek naar zigzaglijnen met zes koolstofatomen en brede grafeen nanoribbons (6-ZGNR’s), de enige breedte van ZGNR’s die tot nu toe is bereikt met een bottom-up benadering.
Opnieuw met behulp van scanning-tunneling en atomaire-krachtmicroscopieën, identificeren de onderzoekers eerst de aanwezigheid van alomtegenwoordige koolstofvacature-defecten aan de randen van de nanoribbons en lossen vervolgens hun atomaire structuur op. Hun resultaten geven aan dat elke vacature een ontbrekende m-xyleen-eenheid bevat, dat wil zeggen een andere “beet” defect, dat, zoals bij die in AGNR’s, afkomstig is van de splitsing van de CC-binding die optreedt tijdens het cyclodehydrogeneringsproces van de reactie. Onderzoekers schatten de dichtheid van “beet” defecten in de 6-ZGNR’s om groter te zijn dan die van de equivalente defecten in bottom-up AGNR’s.
Het effect van deze bijtdefecten op de elektronische structuur en kwantumtransporteigenschappen van 6-ZGNR’s wordt opnieuw theoretisch onderzocht. Ze vinden dat de introductie van het defect, net als bij AGNR’s, een aanzienlijke verstoring van de geleiding veroorzaakt. Bovendien veroorzaken deze onbedoelde defecten in deze nanostructuur een subrooster en onbalans in de spin, waardoor een lokaal magnetisch moment ontstaat. Dit geeft op zijn beurt aanleiding tot spin-gepolariseerd ladingstransport dat defecte zigzag nanoribbons optimaal geschikt maakt voor toepassingen in all-carbon logic spintronica in de ultieme limiet van schaalbaarheid.
Een vergelijking tussen ZGNR’s en AGNR’s van gelijke breedte laat zien dat transport over de eerste minder gevoelig is voor de introductie van zowel enkele als meervoudige defecten dan in de laatste. Over het algemeen geeft het onderzoek een globaal beeld van de impact van deze alomtegenwoordige “beet” defecten in de energiezuinige elektronische structuur van bottom-up grafeen nanoribbons. Toekomstig onderzoek zou zich kunnen concentreren op het onderzoek van andere soorten puntdefecten die experimenteel worden waargenomen aan de randen van dergelijke nanoribbons, aldus de onderzoekers.
Michele Pizzochero et al, Quantum Electronic Transport Across “Beet” Defecten in grafeen nanoribbons, 2D-materialen (2021). DOI: 10.1088 / 2053-1583 / abf716
Michele Pizzochero et al. Randstoornis in bottom-up zigzag grafeen-nanoribbons: implicaties voor magnetisme en kwantumelektronisch transport, The Journal of Physical Chemistry Letters (2021). DOI: 10.1021 / acs.jpclett.1c00921
Journal of Physical Chemistry Letters
Geleverd door National Center of Competence in Research (NCCR) MARVEL