De synthese op het oppervlak van nanoribbons van grafeen kan kwantumapparaten bevorderen

Een internationaal team van wetenschappers met meerdere instellingen heeft nanoribbons van grafeen – ultradunne strips van koolstofatomen – gesynthetiseerd op een titaniumdioxide-oppervlak met behulp van een atomair nauwkeurige methode die een barrière wegneemt voor op maat gemaakte koolstofnanostructuren die nodig zijn voor kwantuminformatiewetenschappen.

Grafeen is samengesteld uit koolstoflagen van één atoom dik die ultralichte, geleidende en extreem sterke mechanische eigenschappen aannemen. Het in de volksmond bestudeerde materiaal belooft de elektronica en de informatiewetenschap te transformeren vanwege zijn zeer afstembare elektronische, optische en transporteigenschappen.

Wanneer het wordt gevormd tot nanoribbons, kan grafeen worden toegepast in apparaten op nanoschaal; echter, het gebrek aan precisie op atomaire schaal bij het gebruik van de huidige state-of-the-art “top-down” synthetische methoden – het snijden van een grafeenvel in atoom-smalle stroken – belemmert het praktische gebruik van grafeen.

Onderzoekers ontwikkelden een ‘bottom-up’-benadering: de grafeen-nanoribbon rechtstreeks op atomair niveau bouwen op een manier die kan worden gebruikt in specifieke toepassingen, die werd bedacht en gerealiseerd in het Center for Nanophase Materials Sciences, of CNMS, gelegen aan de Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy.

Deze absolute precisiemethode hielp om de gewaardeerde eigenschappen van grafeenmonolagen te behouden naarmate de segmenten van grafeen steeds kleiner worden. Slechts een of twee atomen verschil in breedte kunnen de eigenschappen van het systeem drastisch veranderen, waardoor een halfgeleidend lint in een metalen lint verandert. De resultaten van het team werden beschreven in Wetenschap.

ORNL’s Marek Kolmer, An-Ping Li en Wonhee Ko van de CNMS ‘Scanning Tunneling Microscopy-groep werkten aan het project samen met onderzoekers van Espeem, een particulier onderzoeksbedrijf, en verschillende Europese instellingen: Friedrich Alexander University Erlangen-Nuremberg, Jagiellonian University en Martin Luther Universiteit Halle-Wittenberg.

ORNL’s unieke expertise op het gebied van scanning tunneling microscopie was cruciaal voor het succes van het team, zowel bij het manipuleren van het precursormateriaal als bij het verifiëren van de resultaten.

“Met deze microscopen kun je materie rechtstreeks in beeld brengen en manipuleren op atomaire schaal”, zei Kolmer, een postdoctoraal onderzoeker en de hoofdauteur van het artikel. “De punt van de naald is zo dun dat hij in wezen de grootte heeft van een enkel atoom. De microscoop beweegt lijn voor lijn en meet constant de interactie tussen de naald en het oppervlak en geeft een atomair nauwkeurige kaart van de oppervlaktestructuur.”

In eerdere experimenten met grafeen-nanoribbons werd het materiaal gesynthetiseerd op een metalen substraat, wat onvermijdelijk de elektronische eigenschappen van de nanoribbons onderdrukt.

“De elektronische eigenschappen van deze linten laten werken zoals ze zijn ontworpen, is het hele verhaal. Vanuit het oogpunt van de toepassing is het gebruik van een metalen substraat niet zinvol omdat het de eigenschappen afschermt”, zei Kolmer. “Het is een grote uitdaging op dit gebied – hoe kunnen we het netwerk van moleculen effectief ontkoppelen om naar een transistor over te brengen?”

De huidige ontkoppelingsbenadering omvat het verwijderen van het systeem uit de ultrahoogvacuümomstandigheden en het door een meerstaps nat-chemisch proces leiden, waarbij het metalen substraat moet worden weggeëtst. Dit proces is in tegenspraak met de zorgvuldige, zuivere precisie die wordt gebruikt bij het maken van het systeem.

Om een ​​proces te vinden dat zou werken op een niet-metalen substraat, begon Kolmer te experimenteren met oxideoppervlakken, waarbij hij de strategieën nabootste die op metaal werden gebruikt. Uiteindelijk wendde hij zich tot een groep Europese chemici die gespecialiseerd zijn in fluorareenchemie en begon hij zich te verdiepen in een ontwerp voor een chemische precursor die synthese rechtstreeks op het oppervlak van rutieltitaandioxide mogelijk zou maken.

“Synthese op het oppervlak stelt ons in staat om materialen met een zeer hoge precisie te maken en om dat te bereiken, zijn we begonnen met moleculaire precursoren”, zei Li, een senior auteur van het artikel die het team bij CNMS leidde. “De reacties die we nodig hadden om bepaalde eigenschappen te verkrijgen, zijn in wezen in de voorloper geprogrammeerd. We kennen de temperatuur waarbij een reactie zal plaatsvinden en door de temperaturen af ​​te stemmen, kunnen we de volgorde van reacties regelen.”

“Een ander voordeel van synthese op het oppervlak is de brede pool van kandidaat-materialen die kunnen worden gebruikt als precursors, waardoor een hoge mate van programmeerbaarheid mogelijk is,” voegde Li toe.

De precieze toepassing van chemicaliën om het systeem te ontkoppelen, hielp ook om een ​​open-schaalstructuur te behouden, waardoor onderzoekers op atoomniveau toegang konden krijgen om op moleculen met unieke kwantumeigenschappen te bouwen en deze te bestuderen. “Het was bijzonder lonend om te ontdekken dat deze grafeenlinten aan hun uiteinden magnetische toestanden hebben, ook wel kwantumspintoestanden genoemd,” zei Li. “Deze staten bieden ons een platform om magnetische interacties te bestuderen, in de hoop qubits te creëren voor toepassingen in de kwantuminformatiewetenschap.” Aangezien er weinig verstoring is van magnetische interacties in moleculaire materialen op koolstofbasis, maakt deze methode het mogelijk om langdurige magnetische toestanden vanuit het materiaal te programmeren.

Hun aanpak creëert een zeer nauwkeurig lint, losgekoppeld van het substraat, wat wenselijk is voor spintronische en kwantuminformatiewetenschappelijke toepassingen. Het resulterende systeem is bij uitstek geschikt om verder te verkennen en verder te bouwen, mogelijk als een transistor op nanoschaal omdat het een brede bandafstand heeft, over de ruimte tussen elektronische toestanden die nodig is om een ​​aan / uit-signaal over te brengen.