Nieuwe atomisch nauwkeurige grafeen nanoribbon heterojunctiesensor ontwikkeld

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Keulen is er voor het eerst in geslaagd om verschillende atomair nauwkeurige nanoribbons gemaakt van grafeen, een modificatie van koolstof, met elkaar te verbinden om complexe structuren te vormen. De wetenschappers hebben nanoribbon heterojuncties gesynthetiseerd en spectroscopisch gekarakteriseerd. Ze waren toen in staat om de heterojuncties te integreren in een elektronische component. Op deze manier hebben ze een nieuwe sensor gecreëerd die zeer gevoelig is voor atomen en moleculen. De resultaten van hun onderzoek zijn gepubliceerd onder de titel ‘Tunneling current modulation in atomically precision graphene nanoribbon heterojunctions’ in Nature Communications. Het werk werd uitgevoerd in nauwe samenwerking tussen het Instituut voor Experimentele Fysica met de Afdeling Chemie van de Universiteit van Keulen, evenals met onderzoeksgroepen uit Montreal, Novosibirsk, Hiroshima en Berkeley. Het werd gefinancierd door de Duitse Research Foundation (DFG) en de European Research Council (ERC).

De heterojuncties van grafeen nanoribbons zijn slechts één nanometer – een miljoenste millimeter – breed. Grafeen bestaat uit slechts een enkele laag koolstofatomen en wordt beschouwd als het dunste materiaal ter wereld. In 2010 slaagden onderzoekers in Manchester erin om voor het eerst enkel-atoomlagen van grafeen te maken, waarvoor ze de Nobelprijs wonnen. “De grafeen-nanoribbon-heterojuncties die worden gebruikt om de sensor te maken, zijn elk zeven en veertien koolstofatomen breed en ongeveer 50 nanometer lang. Wat ze speciaal maakt, is dat hun randen vrij zijn van defecten. Daarom worden ze” atomair nauwkeurige “nanoribbons genoemd. verklaarde Dr. Boris Senkovskiy van het Instituut voor Experimentele Fysica. De onderzoekers verbonden verschillende van deze nanoribbon heterojuncties aan hun korte uiteinden, waardoor meer complexe heterostructuren ontstonden die fungeren als tunnelbarrières.

De heterostructuren werden onderzocht met behulp van hoekopgeloste foto-emissie, optische spectroscopie en scanning tunneling microscopie. In de volgende stap werden de gegenereerde heterostructuren geïntegreerd in een elektronisch apparaat. De elektrische stroom die door de nanoribbon-heterostructuur vloeit, wordt bepaald door het kwantummechanische tunneleffect. Dit betekent dat elektronen onder bepaalde omstandigheden bestaande energiebarrières in atomen kunnen overwinnen door ’tunnelen’, zodat er dan een stroom vloeit terwijl de barrière groter is dan de beschikbare energie van het elektron.

De onderzoekers bouwden een nieuwe sensor voor de adsorptie van atomen en moleculen uit de nanoribbon-heterostructuur. De tunnelstroom door de heterostructuur is bijzonder gevoelig voor adsorbaten die zich ophopen op oppervlakken. Dat wil zeggen, de stroomsterkte verandert wanneer atomen of moleculen, zoals die van gassen, zich ophopen op het oppervlak van de sensor. “Het prototype van de sensor die we hebben gebouwd, heeft uitstekende eigenschappen. Hij is onder andere bijzonder gevoelig en kan worden gebruikt om zelfs de kleinste hoeveelheden adsorbaten te meten”, zegt professor dr. Alexander Grüneis, hoofd van een onderzoeksgroep aan het Institute of Experimental Physics. .