Zigzag Graphene Nanoribbons maken ‘String Light’ -configuratie voor de elektronica van morgen

Organische chemie, de chemie van koolstofverbindingen, is de basis van alle leven op aarde. Metalen spelen echter ook een sleutelrol in veel biochemische processen. Als het gaat om het “trouwen” van grote, zware metalen atomen met lichte organische verbindingen, vertrouwt de natuur vaak op een specifieke groep chemische structuren: porfyrines. Deze moleculen vormen een organische ring; In het midden kunnen individuele metaalionen zoals ijzer, kobalt of magnesium ‘verankerd’ zijn.

Het porfyrine -raamwerk vormt de basis voor hemoglobine in menselijk bloed, fotosynthetisch chlorofyl in planten en talloze enzymen. Afhankelijk van welk metaal wordt vastgelegd door het porfyrine, kunnen de resulterende verbindingen een breed scala aan chemische en fysische eigenschappen vertonen. Chemici en materiaalwetenschappers hebben al lang geprobeerd deze flexibiliteit en functionaliteit van porfyrines te benutten, inclusief voor toepassingen in moleculaire elektronica.

Voor elektronische componenten – zelfs moleculaire – om te functioneren, moeten ze echter met elkaar worden verbonden. Het bedraden van individuele moleculen is geen gemakkelijke taak. Maar dit is precies wat onderzoekers van Empa’s Nanotech@Surfaces Laboratory hebben bereikt, in samenwerking met synthetische chemici van het Max Planck Institute for Polymer Research.

Ze zijn erin geslaagd porfyrines op een grafeen nanoribbon op een perfect precieze en goed gedefinieerde manier te bevestigen. De overeenkomstige studie is net gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie.

Een koolstof ‘backbone’

Grafeen nanoribbons zijn lange, smalle stroken van het tweedimensionale koolstofmateriaalgrafeen. Afhankelijk van hun breedte en de vorm van hun randen vertonen ze een breed scala aan fysieke eigenschappen, waaronder verschillende geleidbaarheid, magnetisme en kwantumgedrag.

De EMPA-onderzoekers gebruikten een lint slechts 1 nanometer breed met zogenaamde zigzagranden als een moleculaire draad. Langs deze randen worden de porfyrinemoleculen met perfect gewone intervallen aangemeerd, afwisselend tussen de linker- en rechterkant van het lint.

“Ons grafeenlint vertoont een speciaal type magnetisme dankzij zijn zigzagrand”, legt Feifei Xiang, hoofdauteur van de studie uit. De metaalatomen in de porfyrinemoleculen zijn daarentegen magnetisch op een meer “conventionele” manier. Het verschil ligt in de elektronen die de spin bieden die verantwoordelijk is voor magnetisme.

Terwijl de spin-larry-elektronen in het metaalcentrum gelokaliseerd blijven op het metaalatoom, spreidden de overeenkomstige elektronen in het grafeenlint zich “verspreid” langs beide randen.

“Dankzij de koppeling van de porfyrines aan de grafeenbackbone, zijn we erin geslaagd om beide soorten magnetisme in een enkel systeem te combineren en te verbinden”, legt co-auteur Oliver Gröning, plaatsvervangend hoofd van het laboratorium van Nanotech@Surfaces.

Deze koppeling opent veel deuren op het gebied van moleculaire elektronica. Het grafeenlint dient als zowel een elektrische als een magnetische geleider – een soort op nanoschaal “kabel” tussen de porfyrinemoleculen. Het gecorreleerde magnetisme van dergelijke grafeen nanoribbons wordt als bijzonder veelbelovend beschouwd voor kwantumtechnologietoepassingen, waarbij het onderliggende magnetisme van de spin werkt als een informatiedrager.

“Ons grafeenlint met de porfyrines zou kunnen functioneren als een reeks onderling verbonden qubits”, zegt Roman Fasel, hoofd van het laboratorium “nanotech@oppervlakken”.

Gevoel, uitzenden, gedrag

Maar dat is niet alles: porfyrines zijn ook natuurlijke pigmenten, zoals te zien in moleculen zoals chlorofyl en hemoglobine. Voor materiaalwetenschappers betekent dit dat “de porfyrinecentra optisch actief zijn”, zegt Gröning.

En optica is een belangrijke manier om interactie te hebben met de elektronische en magnetische eigenschappen van dergelijke moleculaire ketens. Porphyrines kunnen licht uitzenden waarvan de golflengte verandert met de magnetische toestand van het gehele moleculaire systeem – een soort moleculaire string van lichten, waar informatie kan worden voorgelezen door subtiele kleurverschuivingen.

Het omgekeerde proces is ook mogelijk: de porfyrines kunnen worden opgewonden door licht, waardoor de geleidbaarheid en het magnetisme van de grafeen -backbone beïnvloeden. Deze moleculaire allrounders zouden zelfs kunnen dienen als chemische sensoren.

Porfyrinemoleculen kunnen gemakkelijk worden gefunctionaliseerd – dat wil zeggen chemisch gemodificeerd door specifieke chemische groepen te bevestigen. Als een van deze toegevoegde groepen bindt aan een doelchemische stof, beïnvloedt deze interactie ook de geleidbaarheid van het grafeenlint.

“Ons systeem is een toolbox die kan worden gebruikt om verschillende eigenschappen af ​​te stemmen”, zegt Fasel. Vervolgens zijn de onderzoekers van plan om verschillende metaalcentra in de porfyrines te verkennen en hun effecten te onderzoeken. Ze willen ook het grafeenlintruggengraat verbreden, waardoor hun moleculaire systeem een ​​nog veelzijdiger elektronische basis heeft.

De synthese van deze “stringlichten” is allesbehalve triviaal. “Onze partners van het Max Planck Institute waren in staat om voorlopermoleculen te produceren die bestaande uit een porfyrine -kern aangevuld met een paar koolstofringen die precies op de juiste posities werden geplaatst”, zegt Gröning.

Deze complexe moleculen worden vervolgens “gebakken” op enkele honderden graden Celsius onder ultrahoge vacuüm om de lange ketens te vormen. Een goudoppervlak dient als de “bakplaat”. Dit is de enige manier om deze nanometer-fine structuren met atoomprecisie te bereiken. Het EMPA -team werkt nu om deze nieuwe designermaterialen bruikbaar te maken voor toekomstige kwantumtechnologieën.