Esta nanocinta de grafeno se hizo de abajo hacia arriba a partir de un precursor molecular. Los efectos de la anchura y los bordes de las nanocintas influyen en el comportamiento electrónico. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.; microscopía de túnel de barrido por Chuanxu Ma y An-Ping Li
Una nueva forma de cultivar cintas estrechas de grafeno, una estructura ligera y fuerte de átomos de carbono de un solo átomo de espesor unidos en hexágonos, puede abordar una deficiencia que ha impedido que el material alcance su máximo potencial en aplicaciones electrónicas. Nanocintas de grafeno, meras mil millonésimas de metro de ancho, exhiben diferentes propiedades electrónicas que las hojas bidimensionales del material.
"El confinamiento cambia el comportamiento del grafeno, "dijo An-Ping Li, físico del Laboratorio Nacional de Oak Ridge del Departamento de Energía. El grafeno en láminas es un excelente conductor eléctrico, pero el estrechamiento del grafeno puede convertir el material en un semiconductor si las cintas están hechas con una forma de borde específica.
Los esfuerzos anteriores para fabricar nanocintas de grafeno emplearon un sustrato metálico que obstaculizó las útiles propiedades electrónicas de las cintas.
Ahora, científicos de ORNL y la Universidad Estatal de Carolina del Norte informan en la revista Comunicaciones de la naturaleza que son los primeros en cultivar nanocintas de grafeno sin un sustrato metálico. En lugar de, inyectaron portadores de carga que promueven una reacción química que convierte un precursor de polímero en una nanocinta de grafeno. En sitios seleccionados, esta nueva técnica puede crear interfaces entre materiales con diferentes propiedades electrónicas. Tales interfaces son la base de los dispositivos electrónicos semiconductores, desde circuitos integrados y transistores hasta diodos emisores de luz y células solares.
"El grafeno es maravilloso, pero tiene limites, "dijo Li." En hojas anchas, no tiene una brecha de energía, un rango de energía en un sólido donde no pueden existir estados electrónicos. Eso significa que no puede encenderlo ni apagarlo ".
Cuando se aplica un voltaje a una hoja de grafeno en un dispositivo, los electrones fluyen libremente como lo hacen en los metales, limitando severamente la aplicación del grafeno en la electrónica digital.
"Cuando el grafeno se vuelve muy estrecho, crea una brecha de energía, "Dijo Li." Cuanto más estrecha es la cinta, cuanto mayor es la brecha energética ".
Nace una nanocinta de grafeno. Un microscopio de barrido de túnel inyecta portadores de carga llamados "agujeros" en un precursor de polímero, desencadenando una reacción llamada ciclodeshidrogenación en ese sitio, creando un lugar específico en el que se forma una nanocinta de grafeno independiente de abajo hacia arriba. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
En nanocintas de grafeno muy estrechas, con un ancho de un nanómetro o incluso menos, La forma en que las estructuras terminan en el borde de la cinta también es importante. Por ejemplo, cortar grafeno a lo largo del lado de un hexágono crea un borde que se asemeja a un sillón; este material puede actuar como un semiconductor. La extracción de triángulos del grafeno crea un borde en zigzag y un material con comportamiento metálico.
Para cultivar nanocintas de grafeno con un ancho controlado y una estructura de bordes a partir de precursores de polímeros, los investigadores anteriores habían utilizado un sustrato metálico para catalizar una reacción química. Sin embargo, el sustrato metálico suprime los estados de borde útiles y encoge la banda prohibida deseada.
Li y sus colegas se propusieron deshacerse de este problemático sustrato metálico. En el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, utilizaron la punta de un microscopio de barrido de efecto túnel para inyectar portadores de carga negativa (electrones) o portadores de carga positiva ("agujeros") para intentar desencadenar la reacción química clave. Descubrieron que solo los agujeros lo disparaban. Posteriormente, pudieron hacer una cinta que tenía solo siete átomos de carbono de ancho, menos de un nanómetro de ancho, con bordes en la conformación del sillón.
"Descubrimos el mecanismo fundamental, es decir, cómo la inyección de carga puede reducir la barrera de reacción para promover esta reacción química, "Dijo Li. Moviendo la punta a lo largo de la cadena de polímero, los investigadores pudieron seleccionar dónde desencadenaron esta reacción y convertir un hexágono de la red de grafeno a la vez.
Próximo, los investigadores harán heterouniones con diferentes moléculas precursoras y explorarán funcionalidades. También están ansiosos por ver cuánto tiempo pueden viajar los electrones en estas cintas antes de dispersarse. y lo comparará con una nanocinta de grafeno fabricada de otra manera y conocida por conducir electrones extremadamente bien. El uso de electrones como fotones podría proporcionar la base para un nuevo dispositivo electrónico que podría transportar corriente prácticamente sin resistencia. incluso a temperatura ambiente.
"Es una forma de adaptar las propiedades físicas a las aplicaciones energéticas, "Dijo Li." Este es un excelente ejemplo de escritura directa. Puede dirigir el proceso de transformación a nivel molecular o atómico ". Además, el proceso podría ampliarse y automatizarse.
El título del artículo actual es "Conversión controlable de cadenas poliméricas cuasi independientes en nanocintas de grafeno".
