Grafen ujawnił swoje sekrety

Amerykańscy naukowcy dokonali pierwszych precyzyjnych pomiarów „stanów krawędziowych” nanotaśmy grafenu (ang. graphene nanoribbon – GNR). Przewiduje się, że stany te posiadają niezwykłe właściwości, które pozwolą w przyszłości konstruować znacznie ulepszone urządzenia w skali nanometrowej (nano = miliardowa część metra).

Grafen to jedna z alotropowych odmian węgla odkryta w 2004 roku, składająca się z pojedynczej warstwy atomów tego pierwiastka. Nanotaśma grafenu, to z kolei pasek grafenu, który w przyszłości, wedle przewidywań, może zastąpić miedziane połączenia występujące m.in. w układach scalonych. Fizycy wierzą, że w zależności od kąta cięcia arkusza grafenu, nanopaski powinny posiadać wiele różnych (i tym samym technologicznie użytecznych) elektronicznych, magnetycznych oraz optycznych właściwości. Właściwości te obejmują między innymi przerwę energetyczną (obszar energii wzbroniony dla elektronów), która nie występuje w arkuszach grafenu o dużych rozmiarach. Do tej pory, naukowcy nie byli w stanie sprawdzić tych prognoz, ponieważ nie potrafili badać nanopasków na krawędziach ich cięcia. Nanotaśmy są zazwyczaj nieuporządkowanymi strukturami posiadającymi tylko krótkie odcinki prostych krawędzi, dlatego też, aby można było wykonać jakiekolwiek pomiary, nanotaśmy muszą posiadać odpowiednie krawędzie.

„Rozpakowanie” grafenu

Zespół badaczy pod kierunkiem Michaela Crommies’a z Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley (UCB) znalazł rozwiązanie powyższego problemu, proponując wytworzenie nanotaśmy o gładkich krawędziach przy pomocy skaningowego mikroskopu tunelowego (STM). Obiekty te zostały wykonane przez grupę badawczą z Uniwersytetu Stanforda kierowaną przez Hongjie Dai, w procesie chemicznego „rozpakowania” nanorurek węglowych (zwinięty arkusz grafenu przyjmujący formę pustego w środku walca). Technika ta pozwoliła uzyskać dobrze uporządkowane, proste krawędzie wzdłuż całej długości grafenowej nanotaśmy.

Naukowcy odkryli, że badane przez nich nanotaśmy posiadają przerwę energetyczną oraz jednowymiarowe stany krawędziowe, mające zdolność wiązania elektronów. „Takie zachowanie było przewidziane wiele lat temu, lecz nigdy nie zostało potwierdzone doświadczalnie” – powiedział M. Crommie.

Grupa badawcza z Berkeley rozpoczęła pomiary od nanoszenia nanopasków grafenu na czyste powierzchnie kryształów złota. Następnie, kryształy te były schładzane do temperatury 6 K (- 267,15 ^oC) i obrazowane za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego. „Byliśmy w stanie zobaczyć strukturę atomową nanopasków grafenu i przy użyciu STM-u dokonać pomiaru lokalnej gęstości stanów stanów krawędziowych – to znaczy, zmierzyliśmy, gdzie znajdują się elektrony”, wyjaśnił M. Crommie. „Innymi słowy, dokonując pomiaru prądu na końcu igły naszego mikroskopu, w różnych miejscach, w pobliżu krawędzi nanotaśmy grafenu, byliśmy w stanie określić przestrzenny rozkład związanych elektronów w pobliżu krawędzi”.

„Stany krawędziowe nanotaśmy grafenu są prawdziwe”

Zespoły badawcze na całym świecie przewidują, że nowe elektroniczne, optyczne i magnetyczne właściwości krawędzi grafenowych nanotaśm mogłyby być wykorzystane w nowych rodzajach urządzeń, takich jak zawory spinowe, czujniki, czy ogniwa fotowoltaiczne. „Uzyskane przez nas wyniki powodują wzmocnienie realizacji tych zastosowań, ponieważ wiemy już, że stany krawędziowe nanotaśm grafenu są prawdziwe”, powiedział Crommie.

„Nasze wyniki mogą również pomóc w lepszym zrozumieniu tego, co dzieje się na krawędziach próbek wykonanych z grafenu”, dodał. Krawędzie są równie ważne i równie użyteczne, jak każda inna część grafenu, zwłaszcza, gdy rozmiar urządzeń opartych na nanostrukturach jest zredukowany do atomowej skali długości. „Uzyskane przez nas wyniki rozwinęły naszą zdolność do kontroli i charakteryzacji stanów krawędziowych grafenu. Stały się motorem napędowym do dalszych badań oraz miejmy nadzieję, że pomogą w rozwinięciu nowych pomysłów i wniosków.”

Grupa badawcza M. Crommie’go jest już zainteresowana różnymi modyfikacjami krawędzi grafenu – n.p. poprzez domieszkowanie. „Chcemy zbadać zachowanie krawędzi nanopasków w różnych warunkach, aby sprawdzić teorię dotyczącą ich zachowania się w różnych materiałach oraz być może odkryć nowe, niespodziewane zjawiska”, ujawnił Crommie.

Artykuł pochodzi ze strony: physicsworld.com