Onderzoekers hechten elektroden aan individuele atomair nauwkeurige grafeen nanoribbons

Grafeen nanoribbons hebben uitstekende eigenschappen die nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd. Onderzoekers van Empa en ETH Zürich zijn er in samenwerking met partners van Peking University, de University of Warwick en het Max Planck Institute for Polymer Research in geslaagd om elektroden te bevestigen aan individuele atomair nauwkeurige nanoribbons, wat de weg vrijmaakt voor nauwkeurige karakterisering van de fascinerende linten en hun mogelijke toepassing in kwantumtechnologie.

Quantumtechnologie is veelbelovend, maar ook verwarrend. De komende decennia zal het ons naar verwachting verschillende technologische doorbraken opleveren: kleinere en nauwkeurigere sensoren, zeer veilige communicatienetwerken en krachtige computers die kunnen helpen bij het ontwikkelen van nieuwe medicijnen en materialen, het beheersen van financiële markten en het veel sneller voorspellen van het weer dan ooit tevoren. huidige computertechnologie ooit zou kunnen.

Daarvoor hebben we zogenaamde quantummaterialen nodig: stoffen die uitgesproken quantumfysische effecten vertonen. Een van die materialen is grafeen. Deze tweedimensionale structurele vorm van koolstof heeft ongebruikelijke fysische eigenschappen, zoals een buitengewoon hoge treksterkte, thermische en elektrische geleidbaarheid, evenals bepaalde kwantumeffecten. Door het toch al tweedimensionale materiaal nog verder in te perken, bijvoorbeeld door het een lintachtige vorm te geven, ontstaan ​​allerlei beheersbare kwantumeffecten.

Dit is precies waar het team van Mickael Perrin gebruik van maakt in hun werk. Al enkele jaren doen wetenschappers in Empa’s Transport at Nanoscale Interfaces-laboratorium, onder leiding van Michel Calame, onder leiding van Perrin onderzoek naar grafeen-nanoribbons. “Grafeen nanoribbons zijn nog fascinerender dan grafeen zelf”, legt Perrin uit. “Door hun lengte en breedte te variëren, evenals de vorm van hun randen, en door er andere atomen aan toe te voegen, kun je ze allerlei elektrische, magnetische en optische eigenschappen geven.”

Ultieme precisie – tot op enkele atomen

Onderzoek naar de veelbelovende linten is niet eenvoudig. Hoe smaller het lint, hoe meer uitgesproken de kwantumeigenschappen, maar het wordt ook moeilijker om toegang te krijgen tot één lint tegelijk. Dit is precies wat er moet gebeuren om de unieke eigenschappen en mogelijke toepassingen van dit kwantummateriaal te begrijpen en te onderscheiden van collectieve effecten.

In een nieuwe studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Elektronica, Perrin en Empa-onderzoeker Jian Zhang zijn er samen met een internationaal team voor het eerst in geslaagd om individuele lange en atomair nauwkeurige grafeen nanoribbons in contact te brengen. “Een grafeen nanoribbon van slechts negen koolstofatomen breed meet slechts 1 nanometer breed”, zegt Zhang. Om ervoor te zorgen dat slechts een enkele nanoribbon wordt gecontacteerd, gebruikten de onderzoekers elektroden van vergelijkbare grootte. Ze gebruikten koolstofnanobuisjes die ook maar 1 nanometer in doorsnee waren.

Precisie is de sleutel voor zo’n delicaat experiment. Het begint met het bronmateriaal. De onderzoekers verkregen de grafeen nanoribbons via een sterke en langdurige samenwerking met Empa’s nanotech@surfaces-laboratorium, geleid door Roman Fasel. “Roman Fasel en zijn team werken al heel lang aan grafeen-nanoribbons en kunnen met atomaire precisie veel verschillende soorten synthetiseren uit individuele voorlopermoleculen”, legt Perrin uit. De voorlopermoleculen waren afkomstig van het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Mainz.

Zoals vaak nodig is om de stand van de techniek te bevorderen, is interdisciplinariteit de sleutel en waren er verschillende internationale onderzoeksgroepen bij betrokken, die elk hun eigen specialiteit inbrachten. De koolstofnanobuisjes zijn gekweekt door een onderzoeksgroep aan de Universiteit van Peking en om de resultaten van het onderzoek te interpreteren, werkten de Empa-onderzoekers samen met computationele wetenschappers van de Universiteit van Warwick. “Een project als dit zou niet mogelijk zijn zonder samenwerking”, benadrukt Zhang.

Het contact maken met individuele linten door nanobuisjes vormde een behoorlijke uitdaging voor de onderzoekers. “De koolstofnanobuisjes en de grafeen-nanoribbons worden op afzonderlijke substraten gekweekt”, legt Zhang uit. “Eerst moeten de nanobuisjes worden overgebracht naar het apparaatsubstraat en in contact worden gebracht met metalen elektroden. Vervolgens snijden we ze met hoge resolutie elektronenstraallithografie om ze in twee elektroden te scheiden.” Ten slotte worden de linten op hetzelfde substraat overgebracht. Precisie is de sleutel: zelfs de kleinste rotatie van de substraten kan de kans op een succesvol contact aanzienlijk verminderen. “Toegang hebben tot hoogwaardige infrastructuur in het Binnig and Roher Nanotechnology Center bij IBM Research in Rüschlikon was essentieel om deze technologie te testen en te implementeren”, zegt Perrin.

Van computers tot energieconverters

De wetenschappers bevestigden het succes van hun experiment door metingen van ladingstransport. “Omdat kwantumeffecten meestal meer uitgesproken zijn bij lage temperaturen, hebben we de metingen uitgevoerd bij temperaturen dicht bij het absolute nulpunt in een hoog vacuüm”, legt Perrin uit. Hij voegt eraan toe: “Vanwege de extreem kleine omvang van deze nanoribbons verwachten we dat hun kwantumeffecten zo robuust zijn dat ze zelfs bij kamertemperatuur waarneembaar zijn.”

Dit, zegt de onderzoeker, zou ons in staat kunnen stellen om chips te ontwerpen en te gebruiken die actief gebruik maken van kwantumeffecten zonder dat er een uitgebreide koelinfrastructuur nodig is.

“Dit project maakt de realisatie van enkele nanoribbon-apparaten mogelijk, niet alleen om fundamentele kwantumeffecten te bestuderen, zoals hoe elektronen en fononen zich op nanoschaal gedragen, maar ook om dergelijke effecten te benutten voor toepassingen in kwantumschakeling, kwantumdetectie en kwantumenergieconversie,” voegt Hatef Sadeghi toe, een professor aan de Universiteit van Warwick die aan het project heeft meegewerkt.

Grafeen nanoribbons zijn nog niet klaar voor commerciële toepassingen en er moet nog veel onderzoek worden gedaan. In een vervolgstudie proberen Zhang en Perrin verschillende kwantumtoestanden op een enkele nanoribbon te manipuleren. Bovendien zijn ze van plan apparaten te maken op basis van twee in serie geschakelde linten, die een zogenaamde dubbele kwantumdot vormen.

Zo’n circuit zou kunnen dienen als een qubit – de kleinste informatie-eenheid in een kwantumcomputer. Perrin is van plan het gebruik van nanoribbons als zeer efficiënte energieomzetters te onderzoeken.