Un microscopio de efecto túnel determina la topografía y la orientación de las nanocintas de grafeno a escala atómica. En el modo de espectroscopia, determina cambios en la densidad de estados electrónicos, desde el interior de la nanocinta hasta su borde. Crédito:Crommie et al, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
(PhysOrg.com) - Ya en la década de 1990, mucho antes de que alguien hubiera aislado realmente el grafeno, una red en forma de panal de carbono de solo un átomo de espesor, los teóricos predecían propiedades extraordinarias en los bordes de las nanocintas de grafeno. Ahora físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Laboratorio de Berkeley), y sus colegas de la Universidad de California en Berkeley, Universidad Stanford, y otras instituciones, han realizado las primeras mediciones precisas de los "estados de borde" de nanocintas bien ordenadas.
Una nanocinta de grafeno es una tira de grafeno que puede tener solo unos pocos nanómetros de ancho (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). Los teóricos han imaginado que las nanocintas, dependiendo de su ancho y el ángulo en el que se cortan, tendría electrónica única, magnético, y características ópticas, incluidos los huecos de banda como los de los semiconductores, qué hoja no tiene el grafeno.
"Hasta ahora nadie ha podido probar las predicciones teóricas con respecto a los estados de borde de nanocintas, porque nadie pudo averiguar cómo ver la estructura a escala atómica en el borde de una nanocinta de grafeno bien ordenada y cómo, al mismo tiempo, para medir sus propiedades electrónicas dentro de nanómetros del borde, "dice Michael Crommie de la División de Ciencias de Materiales (MSD) de Berkeley Lab y la División de Física de UC Berkeley, quien dirigió la investigación. "Pudimos lograr esto mediante el estudio de nanocintas especialmente fabricadas con un microscopio de efecto túnel".
La investigación del equipo no solo confirma las predicciones teóricas, sino que abre la posibilidad de construir dispositivos a nanoescala energéticamente eficientes a partir de interruptores de grafeno-nanocintas, válvulas de giro, y detectores, basado en la carga del electrón o en el espín del electrón. Más adelante en el camino Los estados de borde de nanocintas de grafeno abren la posibilidad de dispositivos con magnetorresistencia gigante sintonizable y otros efectos magnéticos y ópticos.
Crommie y sus colegas han publicado su investigación en Física de la naturaleza , disponible el 8 de mayo, 2011 en publicación avanzada en línea.
La nanocinta de buen temperamento
"La fabricación de escamas y láminas de grafeno se ha convertido en algo habitual, "Crommie dice, "pero hasta ahora, nanocintas producidas por diferentes técnicas han exhibido, a lo mejor, un alto grado de inhomogeneidad ", lo que generalmente resulta en estructuras de cinta desordenadas con solo tramos cortos de bordes rectos que aparecen al azar. El primer paso esencial para detectar estados de borde de nanocintas es el acceso a nanocintas uniformes con bordes rectos, bien ordenado en la escala atómica.
Hongjie Dai del Departamento de Química y Laboratorio de Materiales Avanzados de la Universidad de Stanford, un miembro del equipo de investigación, resolvió este problema con un método novedoso de "descomprimir" nanotubos de carbono químicamente. El grafeno enrollado en un cilindro forma un nanotubo, y cuando los nanotubos se descomprimen de esta manera, la rebanada corre a lo largo del tubo, saliendo bien ordenado, bordes rectos.
El grafeno se puede envolver en casi cualquier ángulo para hacer un nanotubo. La forma en que se envuelve el nanotubo determina el tono, o "vector quiral, "del borde de nanocintas cuando se abre el tubo. Un corte recto a lo largo de los átomos exteriores de una fila de hexágonos produce un borde en zigzag. Un corte hecho en un ángulo de 30 grados desde un borde en zigzag pasa por el centro de los hexágonos y da como resultado bordes festoneados, conocidos como bordes de "sillón". Entre estos dos extremos hay una variedad de vectores quirales que describen bordes escalonados en la nanoescala, en el cual, por ejemplo, después de cada pocos hexágonos, se agrega un segmento en zigzag en ángulo.
Se ha predicho que estas sutiles diferencias en la estructura de los bordes producirán propiedades físicas considerablemente diferentes, que potencialmente podrían explotarse en nuevas aplicaciones de grafeno. Steven Louie de UC Berkeley y MSD de Berkeley Lab fue el teórico del equipo de investigación; con la ayuda del postdoctorado Oleg Yazyev, Louie calculó los resultados esperados, que luego se probaron contra el experimento.
Al "descomprimir" los nanotubos de carbono, Se pueden producir bordes regulares con diferentes quiralidades entre los extremos de la configuración en zigzag y, en un ángulo de 30 grados, la configuración del sillón. Crédito:Hongjie Dai, Universidad Stanford, y Michael Crommie et al, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Chenggang Tao de MSD y UCB dirigió un equipo de estudiantes graduados en la realización de microscopía de túnel de barrido (STM) de las nanocintas en un sustrato de oro. que resolvió las posiciones de los átomos individuales en las nanocintas de grafeno. El equipo examinó más de 150 nanocintas de alta calidad con diferentes quiralidades, todo lo cual mostró una característica inesperada, un borde elevado regular cerca de sus bordes formando una joroba o bisel. Una vez que esto se estableció como una característica de borde real, no el artefacto de una cinta doblada o un nanotubo aplanado, la quiralidad y las propiedades electrónicas de los bordes de nanocintas bien ordenados podrían medirse con confianza. y las regiones de borde modeladas teóricamente.
Electrónica al límite
"Las láminas de grafeno bidimensionales son notables por la libertad con que se mueven los electrones a través de ellas, incluido el hecho de que no hay banda prohibida, ", Dice Crommie." Las nanocintas son diferentes:los electrones pueden quedar atrapados en canales estrechos a lo largo de los bordes de las nanocintas. Estos estados de borde son unidimensionales, pero los electrones en un borde todavía pueden interactuar con los electrones del borde en el otro lado, lo que hace que se abra una brecha de energía ".
Usando un STM en modo de espectroscopia (STS), El equipo midió los cambios de densidad electrónica a medida que se movía una punta de STM desde un borde de nanocintas hacia adentro, hacia su interior. De esta forma se examinaron nanocintas de diferentes anchos. Los investigadores descubrieron que los electrones están confinados al borde de las nanocintas, y que estos electrones de borde de nanocintas exhiben una división pronunciada en sus niveles de energía.
"En el mundo cuántico, los electrones pueden describirse como ondas además de partículas, Crommie señala. Él dice que una forma de imaginar cómo surgen los diferentes estados de borde es imaginar una onda de electrones que llena la longitud de la cinta y difracta los átomos cerca de su borde. Los patrones de difracción se asemejan a las ondas de agua que vienen a través de las rendijas de una barrera.
Las nanocintas de grafeno son láminas estrechas de átomos de carbono de solo una capa de espesor. Su ancho, y los ángulos en los que se cortan los bordes, producir una variedad de estados electrónicos, which have been studied with precision for the first time using scanning tunneling microscopy and scanning tunneling spectroscopy. Credit:Crommie et al, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
For nanoribbons with an armchair edge, the diffraction pattern spans the full width of the nanoribbon; the resulting electron states are quantized in energy and extend spatially throughout the entire nanoribbon. For nanoribbons with a zigzag edge, sin embargo, the situation is different. Here diffraction from edge atoms leads to destructive interference, causing the electron states to localize near the nanoribbon edges. Their amplitude is greatly reduced in the interior.
The energy of the electron, the width of the nanoribbon, and the chirality of its edges all naturally affect the nature and strength of these nanoribbon electronic states, an indication of the many ways the electronic properties of nanoribbons can be tuned and modified.
Says Crommie, "The optimist says, 'Guau, look at all the ways we can control these states this might allow a whole new technology!' The pessimist says, 'Uh-oh, look at all the things that can disturb a nanoribbon's behavior how are we ever going to achieve reproducibility on the atomic scale?'"
Crommie himself declares that "meeting this challenge is a big reason for why we do research. Nanoribbons have the potential to form exciting new electronic, magnético, and optical devices at the nanoscale. We might imagine photovoltaic applications, where absorbed light leads to useful charge separation at nanoribbon edges. We might also imagine spintronics applications, where using a side-gate geometry would allow control of the spin polarization of electrons at a nanoribbon's edge."
Although getting there won't be simple -- "The edges have to be controlled, " Crommie emphasizes -- "what we've shown is that it's possible to make nanoribbons with good edges and that they do, Por supuesto, have characteristic edge states similar to what theorists had expected. This opens a whole new area of future research involving the control and characterization of graphene edges in different nanoscale geometries."
