Nieuwe techniek stemt af op het elektronische potentieel van grafeen nanoribbons

Sinds grafeen – een dunne koolstofplaat van slechts één atoom dik – meer dan 15 jaar geleden werd ontdekt, werd het wondermateriaal een werkpaard in materiaalwetenschappelijk onderzoek. Uit dit oeuvre leerden andere onderzoekers dat het snijden van grafeen langs de rand van het honingraatrooster eendimensionale zigzag-grafeenstrips of nanolinten met exotische magnetische eigenschappen creëert.

Veel onderzoekers hebben geprobeerd het ongebruikelijke magnetische gedrag van nanoribbons te benutten in op koolstof gebaseerde spintronica-apparaten die snelle, energiezuinige gegevensopslag en informatieverwerkingstechnologieën mogelijk maken door gegevens te coderen via elektronenspin in plaats van lading. Maar omdat zigzag-nanoribbons zeer reactief zijn, hebben onderzoekers geworsteld met het observeren en kanaliseren van hun exotische eigenschappen in een echt apparaat.

Nu, zoals gerapporteerd in het nummer van 22 december van het tijdschrift Natuur, hebben onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en UC Berkeley een methode ontwikkeld om de randen van grafeen nanoribbons te stabiliseren en hun unieke magnetische eigenschappen direct te meten.

Het team onder leiding van Felix Fischer en Steven Louie, beide faculteitswetenschappers van de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, ontdekte dat door enkele koolstofatomen langs de zigzagranden van het lint te vervangen door stikstofatomen, ze de lokale elektronische structuur discreet konden afstemmen zonder te verstoren de magnetische eigenschappen. Deze subtiele structurele verandering maakte de ontwikkeling mogelijk van een scanning probe microscopietechniek voor het meten van het lokale magnetisme van het materiaal op atomaire schaal.

“Eerdere pogingen om de zigzagrand te stabiliseren, hebben onvermijdelijk de elektronische structuur van de rand zelf veranderd”, zegt Louie, die ook hoogleraar natuurkunde is aan UC Berkeley. “Dit dilemma heeft de pogingen om toegang te krijgen tot hun magnetische structuur met experimentele technieken gedoemd te mislukken, en tot nu toe is hun verkenning gedegradeerd tot computermodellen,” voegde hij eraan toe.

Geleid door theoretische modellen, ontwierpen Fischer en Louie een op maat gemaakte moleculaire bouwsteen met een rangschikking van koolstof- en stikstofatomen die in kaart kunnen worden gebracht op de precieze structuur van de gewenste zigzag grafeen nanoribbons.

Om de nanoribbons te bouwen, worden de kleine moleculaire bouwstenen eerst op een plat metalen oppervlak of substraat gedeponeerd. Vervolgens wordt het oppervlak voorzichtig verwarmd, waardoor twee chemische handvatten aan beide uiteinden van elk molecuul worden geactiveerd. Deze activeringsstap verbreekt een chemische binding en laat een zeer reactief “plakkerig uiteinde” achter.

Elke keer dat twee “kleverige uiteinden” elkaar ontmoeten terwijl de geactiveerde moleculen zich op het oppervlak verspreiden, combineren de moleculen om nieuwe koolstof-koolstofbindingen te vormen. Uiteindelijk bouwt het proces 1D-madeliefjesketens van moleculaire bouwstenen op. Ten slotte herschikt een tweede verwarmingsstap de interne bindingen van de ketting om een ​​grafeen nanoribbon te vormen met twee parallelle zigzagranden.

“Het unieke voordeel van deze moleculaire bottom-up-technologie is dat elk structureel kenmerk van het grafeenlint, zoals de exacte positie van de stikstofatomen, kan worden gecodeerd in de moleculaire bouwsteen”, zegt Raymond Blackwell, een afgestudeerde student in de Fischer-groep en co-hoofdauteur op het papier samen met Fangzhou Zhao, een afgestudeerde student in de Louie-groep.

De volgende uitdaging was het meten van de eigenschappen van de nanoribbons.

“We realiseerden ons al snel dat we, om niet alleen het magnetische veld te meten maar ook daadwerkelijk te kwantificeren, veroorzaakt door de spin-gepolariseerde randtoestanden van het nanoribbon, twee extra problemen zouden moeten aanpakken”, zei Fischer, die ook hoogleraar scheikunde is aan UC Berkeley.

Eerst moest het team uitzoeken hoe de elektronische structuur van het lint van het substraat kon worden gescheiden. Fischer loste het probleem op door een scanning tunneling microscooppunt te gebruiken om de link tussen het grafeen nanolint en het onderliggende metaal onomkeerbaar te verbreken.

De tweede uitdaging was het ontwikkelen van een nieuwe techniek om een ​​magnetisch veld direct op nanometerschaal te meten. Gelukkig ontdekten de onderzoekers dat de stikstofatomen die in de structuur van de nanoribbons waren gesubstitueerd, feitelijk als sensoren op atomaire schaal fungeerden.

Metingen op de posities van de stikstofatomen onthulden de karakteristieke kenmerken van een lokaal magnetisch veld langs de zigzagrand.

Berekeningen uitgevoerd door Louie met behulp van computerbronnen van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) leverden kwantitatieve voorspellingen op van de interacties die voortkomen uit de spin-gepolariseerde randtoestanden van de linten. Microscopiemetingen van de precieze handtekeningen van magnetische interacties kwamen overeen met die voorspellingen en bevestigden hun kwantumeigenschappen.

“Het verkennen en uiteindelijk ontwikkelen van de experimentele hulpmiddelen die rationele engineering van deze exotische magnetische randen mogelijk maken, opent de deur naar ongekende mogelijkheden van op koolstof gebaseerde spintronica”, zei Fischer, verwijzend naar de volgende generatie nano-elektronische apparaten die afhankelijk zijn van intrinsieke eigenschappen van elektronen. Toekomstig werk omvat het onderzoeken van fenomenen die verband houden met deze eigenschappen in op maat ontworpen zigzag-grafeenarchitecturen.