Een techniek om sub-10-nm grafeen nanoribbons te maken van geplette koolstof nanobuisjes

Grafeen nanoribbons (GNR’s) zijn smalle en lange stroken grafeen met een breedte van minder dan 100 nm. GNR’s met gladde randen, een aanzienlijke bandgap en een hoge mobiliteit van ladingsdragers kunnen zeer waardevol zijn voor een breed scala aan elektronische en opto-elektronische toepassingen. Tot nu toe hebben ingenieurs echter nog geen methode geïntroduceerd om deze bruikbare componenten op grote schaal te bereiden.

Onderzoekers van de Shanghai Jiao Tong University, Stanford University en andere instituten in de VS en China hebben onlangs een nieuwe strategie bedacht om GNR’s te creëren met gladde randen die minder dan 10 nm breed zijn. Deze methode, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Natuur Elektronica, is gebaseerd op het gebruik van geplette koolstof nanobuisjes (CNT’s), buizen gemaakt van koolstof die typisch diameters op nanometerschaal hebben.

“Het idee achter ons werk is dat als koolstofnanobuisjes (CNT’s) in GNR’s kunnen worden geplet, we in staat zouden zijn om smalle (minder dan 5 nm brede) GNR’s te produceren van CNT’s met kleine diameters,” Prof. Changxin Chen en Wendy L. Mao, twee van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelden: Phys.org. “Bovendien zullen de GNR’s die met deze methode zijn voorbereid veel smaller zijn dan die welke met eerdere methoden zijn verkregen.”

De recente studie van prof. Chen, Mao, prof. Hongjie Dai en hun collega’s was een gezamenlijke inspanning van hun respectievelijke onderzoeksgroepen aan de Shanghai Jiao Tong University en Stanford University, met aanvullende inbreng van andere instellingen. Een team onder leiding van Prof. Chen en Dai ontwikkelde voornamelijk de methode en processen van de hogedruk/thermische behandeling om de CNT’s in GNR’s te pletten, evenals het verzamelen van karakteriseringen van de voorbereide GNR’s, berekeningen en prestatiemetingen van het apparaat. De onderzoeksgroep van prof. Wendy Mao voerde de hogedrukdiamant-aambeeldcel (DAC) experimenten uit waardoor de CNT’s werden geplet.

Een ander doel van deze recente samenwerking was om atomair gladde randen door de hele GNR’s te bereiken, door randgesloten GNR’s te vormen die een hoge materiaal- en apparaatmobiliteit vertoonden. Om hun sub-10 nm brede en lange GNR’s met atomair gladde gesloten randen te produceren, hebben de onderzoekers CNT’s samengeperst met behulp van de hogedruk- en thermische behandelingsmethode die door Chen en zijn team is bedacht.

“We gebruikten een DAC voor de hogedrukbehandeling van CNT’s”, legden Chen en Mao uit. “De CNT-monsters werden verzegeld in een monsterkamer in de DAC en vervolgens samengeperst tussen de uiteinden van twee diamanten aambeelden. Om de geplette monsterstructuur te stabiliseren, voerden we een thermische behandeling op het monster uit terwijl het onder hoge druk stond.”

De GNR’s die door Chen, Mao, Dai en hun collega’s zijn gemaakt, hebben atomair gladde, gesloten randen en zeer weinig defecten. Met behulp van de door hen bedachte methode was het team zelfs in staat sub-5-nm GNR’s te produceren met een minimale breedte van 1,4 nm. Opmerkelijk genoeg ontdekten ze dat een veldeffecttransistor (FET) gebaseerd op een 2,8 nm brede edge-closed GNR een hoge l_Aan/l_uit verhouding van >10⁴, veldeffectmobiliteit van 2.443 cm² V⁻¹ s⁻¹ en on-state kanaalgeleiding van 7,42 mS.

“Ons onderzoek bewijst dat sub-10-nm-brede halfgeleidende grafeen-nanoribbons met atomair gladde gesloten randen kunnen worden geproduceerd door koolstofnanobuisjes te pletten met behulp van een gecombineerde hogedruk- en thermische behandeling”, aldus Chen en Mao. “Met deze aanpak kunnen nanolinten zo smal als 1,4 nm worden gemaakt. De randgeopende nanolinten werden ook vervaardigd met salpeterzuur als oxidatiemiddel om selectief de randen van de geplette nanobuisjes onder hoge druk te etsen.”

De studie kan belangrijke implicaties hebben voor de ontwikkeling van nieuwe elektronische en opto-elektronische apparaten. In de toekomst zou de door Chen, Mao, Dai en hun collega’s bedachte methode kunnen worden gebruikt om hoogwaardige, smalle en lange halfgeleidende GNR’s te produceren.

Bovendien kunnen ingenieurs dankzij hun fabricagestrategie de randtypes van een GNR controleren. Dit zou kunnen helpen om de fundamentele eigenschappen en praktische toepassingen van GNR’s in elektronica en opto-elektronica verder te onderzoeken. Uiteindelijk zou de door Chen, Mao, Dai en hun collega’s ontwikkelde methode ook kunnen worden aangepast om ook andere wenselijke op materialen gebaseerde nanoribbons te synthetiseren met behulp van geplette nanobuisjes of om andere fullereenmaterialen af ​​te vlakken.

“Nu we het potentieel van onze aanpak hebben aangetoond, onderzoeken we manieren om de synthesevoorwaarden praktischer te maken en manieren om de synthese van GNR’s op te schalen (bijvoorbeeld door de druk te verlagen die nodig is voor het pletten van CNT’s door de temperatuur van het monster in de hogedrukbehandeling of het introduceren van een extra deviatorische stresscomponent in de druk), “voegden Chen en Mao eraan toe. “In onze volgende onderzoeken zijn we ook van plan om meer unieke kenmerken te onderzoeken van de edge-closed GNR’s die we hebben gemaakt.”