Un equipo internacional de científicos de varias instituciones ha sintetizado nanocintas de grafeno tiras ultrafinas de átomos de carbono en una superficie de dióxido de titanio utilizando un método atómicamente preciso que elimina una barrera para las nanoestructuras de carbono diseñadas a medida necesarias para las ciencias de la información cuántica.
El grafeno está compuesto de capas de carbono de un solo átomo de espesor que adquieren características mecánicas ultraligeras, conductoras y extremadamente fuertes. El material estudiado popularmente promete transformar la electrónica y la ciencia de la información debido a sus propiedades electrónicas, ópticas y de transporte altamente ajustables.
Cuando se transforma en nanocintas, el grafeno podría aplicarse en dispositivos a nanoescala; sin embargo, la falta de precisión a escala atómica en el uso de métodos sintéticos "de arriba hacia abajo" de última generación cortar una hoja de grafeno en un átomotiras estrechas - uso práctico del grafeno stymie.
Los investigadores desarrollaron un enfoque "de abajo hacia arriba": construir el nanoribbon de grafeno directamente a nivel atómico de manera que se pueda usar en aplicaciones específicas, que fue concebido y realizado en el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, o CNMS,ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía.
Este método de absoluta precisión ayudó a retener las preciadas propiedades de las monocapas de grafeno a medida que los segmentos de grafeno se hacen cada vez más pequeños. Solo uno o dos átomos de diferencia en el ancho pueden cambiar las propiedades del sistema de manera espectacular, convirtiendo una cinta semiconductora en una cinta metálica.. Los resultados del equipo se describen en ciencia .
Marek Kolmer, An-Ping Li y Wonhee Ko de ORNL del grupo de Microscopía de Túnel de Escaneo del CNMS colaboraron en el proyecto con investigadores de Espeem, una empresa de investigación privada, y varias instituciones europeas: Friedrich Alexander University Erlangen-Nuremberg, Jagiellonian University yUniversidad Martin Luther Halle-Wittenberg.
La experiencia única de ORNL en microscopía de túnel de barrido fue fundamental para el éxito del equipo, tanto en la manipulación del material precursor como en la verificación de los resultados.
"Estos microscopios le permiten obtener imágenes y manipular la materia directamente a escala atómica", dijo Kolmer, un becario postdoctoral y autor principal del artículo. "La punta de la aguja es tan fina que es esencialmente del tamaño deun solo átomo. El microscopio se mueve línea por línea y mide constantemente la interacción entre la aguja y la superficie y genera un mapa atómicamente preciso de la estructura de la superficie. "
En experimentos anteriores con nanocintas de grafeno, el material se sintetizó en un sustrato metálico, que inevitablemente suprime las propiedades electrónicas de las nanocintas.
"Hacer que las propiedades electrónicas de estas cintas funcionen como se diseñaron es toda la historia. Desde el punto de vista de la aplicación, usar un sustrato metálico no es útil porque filtra las propiedades", dijo Kolmer. "Es un gran desafío en este campo- ¿Cómo desacoplamos efectivamente la red de moléculas para transferirlas a un transistor? "
El enfoque de desacoplamiento actual implica retirar el sistema de las condiciones de vacío ultra alto y someterlo a un proceso de química húmeda de varios pasos, que requiere grabar el sustrato metálico. Este proceso contradice la precisión cuidadosa y limpia utilizada en la creación del sistema.
Para encontrar un proceso que funcionara en un sustrato no metálico, Kolmer comenzó a experimentar con superficies de óxido, imitando las estrategias utilizadas en el metal. Finalmente, recurrió a un grupo de químicos europeos que se especializan en química de fluoroareno y comenzó a enfocarse en unadiseño de un precursor químico que permitiría la síntesis directamente en la superficie de dióxido de titanio rutilo.
"La síntesis en la superficie nos permite hacer materiales con una precisión muy alta y para lograr eso, comenzamos con precursores moleculares", dijo Li, autor principal del artículo que dirigió el equipo en CNMS. "Las reacciones que necesitábamospara obtener ciertas propiedades se programan esencialmente en el precursor. Sabemos la temperatura a la que se producirá una reacción y, al ajustar las temperaturas, podemos controlar la secuencia de reacciones ".
"Otra ventaja de la síntesis en superficie es el amplio conjunto de materiales candidatos que se pueden usar como precursores, lo que permite un alto nivel de programabilidad", agregó Li.
La aplicación precisa de productos químicos para desacoplar el sistema también ayudó a mantener una estructura de capa abierta, lo que permitió a los investigadores el acceso a nivel de átomo para construir y estudiar moléculas con propiedades cuánticas únicas ". Fue particularmente gratificante descubrir que estas cintas de grafeno se han acopladoestados magnéticos, también llamados estados de espín cuántico, en sus extremos ", dijo Li." Estos estados nos proporcionan una plataforma para estudiar las interacciones magnéticas, con la esperanza de crear qubits para aplicaciones en la ciencia de la información cuántica ".interacciones en materiales moleculares a base de carbono, este método permite programar estados magnéticos duraderos desde el interior del material.
Su enfoque crea una cinta de alta precisión, desacoplada del sustrato, que es deseable para aplicaciones de ciencia de la información espintrónica y cuántica. El sistema resultante es ideal para ser explorado y construido más a fondo, posiblemente como un transistor a nanoescala, ya que tiene unbanda prohibida amplia, a través del espacio entre los estados electrónicos que se necesita para transmitir una señal de encendido / apagado.
Kolmer se unió recientemente al Laboratorio Ames del DOE en un puesto de personal de investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Oak Ridge . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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