Las tiras estrechas de grafeno llamadas nanocintas exhiben propiedades extraordinarias que las convierten en candidatos importantes para futuras tecnologías nanoelectrónicas. Una barrera para explotarlos, sin embargo, es la dificultad de controlar su forma a escala atómica, un requisito previo para muchas aplicaciones posibles.

Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y de la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un nuevo enfoque de precisión para sintetizar nanocintas de grafeno a partir de bloques de construcción moleculares prediseñados. Utilizando este proceso, los investigadores han construido nanocintas que tienen propiedades mejoradas, como dependientes de la posición, bandgaps sintonizables, que son potencialmente muy útiles para los circuitos electrónicos de próxima generación.

Los resultados aparecen en un artículo titulado "Ingeniería de banda prohibida molecular de heterouniones de nanocintas de grafeno sintetizadas de abajo hacia arriba", " publicado en Nanotecnología de la naturaleza .

"Este trabajo representa un progreso hacia el objetivo de ensamblar moléculas de manera controlable en las formas que queramos, "dice Mike Crommie, científico senior en Berkeley Lab, profesor en UC Berkeley, y líder del estudio. "Por primera vez hemos creado una nanocinta molecular en la que el ancho cambia exactamente como lo diseñamos".

Nanocintas pasado y presente

Previamente, los científicos fabricaron nanocintas que tienen un ancho constante en todas partes. "Eso lo convierte en un buen cable o un simple elemento de conmutación, "dice Crommie, "pero no proporciona mucha funcionalidad. Queríamos ver si podíamos cambiar el ancho dentro de una sola nanocinta, controlando la estructura dentro de la nanocinta a escala atómica para darle un nuevo comportamiento que sea potencialmente útil ".

Felix Fischer, Profesor de Química en UC Berkeley que lideró el estudio conjuntamente, diseñó los componentes moleculares para averiguar si esto sería posible. Juntos, Fischer y Crommie descubrieron que se puede hacer que moléculas de diferentes anchos se unan químicamente de modo que el ancho se module a lo largo de la longitud de una sola nanocinta resultante.

"Piense en las moléculas como bloques de Lego de diferentes tamaños, "explica Fischer. Cada bloque tiene una cierta estructura definida y cuando se juntan dan como resultado una forma particular para la nanocinta completa." Queremos ver si podemos entender las propiedades exóticas que surgen cuando ensamblamos estas estructuras moleculares, y para ver si podemos explotarlos para construir nuevos dispositivos funcionales ".

Hasta ahora, La síntesis de nanocintas ha consistido principalmente en grabar cintas de láminas de grafeno 2D más grandes. El problema, según Fischer, es que esto carece de precisión y cada nanocinta resultante tiene un único, estructura ligeramente aleatoria. Otro método ha sido descomprimir nanotubos para producir nanocintas. Esto produce bordes más suaves que la técnica de grabado "de arriba hacia abajo", pero es difícil de controlar porque los nanotubos tienen diferentes anchos y quiralidades.

Una tercera ruta, descubierto por Roman Fasel de Swiss Federal Laboratories for Materials Science &Technology junto con sus compañeros de trabajo, implica colocar moléculas en una superficie metálica y fusionarlas químicamente para formar nanocintas perfectamente uniformes. Crommie y Fischer modificaron este último enfoque y demostraron que si las formas de las moléculas constituyentes varían, también lo es la forma de la nanocinta resultante.

"Lo que hemos hecho que es nuevo es mostrar que es posible crear nanocintas atómicamente precisas con una forma no uniforme cambiando las formas de los bloques de construcción moleculares, "dice Crommie.

Controlando las propiedades cuánticas

Los electrones dentro de las nanocintas establecen patrones de ondas estacionarias mecánicas cuánticas que determinan las propiedades electrónicas de las nanocintas, como su "bandgap". Esto determina la energía de cómo los electrones se mueven a través de una nanocinta, incluyendo en qué regiones se acumulan y qué regiones evitan.

En el pasado, Los científicos diseñaron espacialmente la banda prohibida de los dispositivos de escala micrométrica a través del dopaje, la adición de impurezas a un material. Para las nanocintas más pequeñas, sin embargo, es posible cambiar la banda prohibida modificando su ancho en incrementos subnanométricos, un proceso que Crommie y Fischer han denominado "ingeniería de banda prohibida molecular". Este tipo de ingeniería permite a los investigadores adaptar las propiedades mecánicas cuánticas de las nanocintas para que puedan usarse de manera flexible en futuros dispositivos nanoelectrónicos.

Para probar su ingeniería de banda prohibida molecular, El grupo de Crommie utilizó microscopía de túnel de barrido (STM), una técnica que puede mapear espacialmente el comportamiento de los electrones dentro de una sola nanocinta. "Necesitábamos conocer la forma a escala atómica de las nanocintas, y también necesitábamos saber cómo los electrones del interior se adaptan a esa forma, "dice Crommie. El profesor de física de UC Berkeley, Steven Louie, y su alumno Ting Cao calcularon la estructura electrónica de las nancintas para interpretar correctamente las imágenes STM. Esto" cerró el ciclo "entre el diseño de nanocintas, fabricación, y caracterización.

Nuevas direcciones hacia nuevos dispositivos

Una cuestión importante en este trabajo es cuál es la mejor forma de construir dispositivos útiles a partir de estas diminutas estructuras moleculares. Si bien el equipo ha demostrado cómo fabricar nanocintas de ancho variable, todavía no los ha incorporado a los circuitos electrónicos reales. Crommie y Fischer esperan utilizar este nuevo tipo de nanocintas para crear eventualmente nuevos elementos de dispositivo, como diodos, transistores, y LED, que son más pequeños y más potentes que los que se utilizan actualmente. En última instancia, esperan incorporar nanocintas en circuitos complejos que ofrezcan un mejor rendimiento que los chips informáticos actuales. Con este fin, están colaborando con ingenieros eléctricos de UC Berkeley como Jeffrey Bokor y Sayeef Salahuddin.

La precisión espacial requerida ya existe:el equipo puede modular el ancho de nanocintas de 0,7 nm a 1,4 nm, creando uniones donde las nanocintas estrechas se fusionan a la perfección en otras más anchas. "Variar el ancho en un factor de dos nos permite modular la banda prohibida en más de 1eV, ", dice Fischer. Para muchas aplicaciones, esto es suficiente para construir dispositivos útiles.

Si bien las aplicaciones potenciales son emocionantes, Crommie señala que una motivación central para la investigación es el deseo de responder preguntas científicas básicas como cómo se comportan realmente las nanocintas con ancho no uniforme. "Nos propusimos responder una pregunta interesante, y lo contestamos, ", concluye.