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 se compone de capas de carbono de un solo átomo de espesor que adquieren un aspecto ultraligero, características mecánicas conductoras y extremadamente fuertes. El material estudiado popularmente promete transformar la electrónica y la ciencia de la información debido a su electrónica altamente sintonizable, propiedades ópticas y de transporte.

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 tiras delgadas como átomos) obstaculiza el uso práctico del grafeno.

Los investigadores desarrollaron un enfoque "de abajo hacia arriba":construir la nanocinta de grafeno directamente a nivel atómico de manera que pueda usarse en aplicaciones específicas, que fue concebido y realizado en el Centro de Ciencias de Materiales Nanophase, o CNMS, ubicado en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía.

Este método de absoluta precisión ayudó a conservar 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 de ancho pueden cambiar dramáticamente las propiedades del sistema, convirtiendo una cinta semiconductora en una cinta metálica. Los resultados del equipo se describieron en Ciencias .

Marek Kolmer de ORNL, An-Ping Li y Wonhee Ko del grupo de microscopía de túnel de barrido del CNMS colaboraron en el proyecto con investigadores de Espeem, una empresa de investigación privada, y varias instituciones europeas:Friedrich Alexander University Erlangen-Nuremberg, Universidad Jagellónica y Universidad 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 directamente la materia a escala atómica, "Kolmer, becario postdoctoral y autor principal del artículo, dijo. "La punta de la aguja es tan fina que esencialmente tiene el tamaño de un 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 pasados ​​con nanocintas de grafeno, el material fue sintetizado sobre un sustrato metálico, que suprime inevitablemente las propiedades electrónicas de las nanocintas.

"Hacer que las propiedades electrónicas de estas cintas funcionen según lo diseñado es toda la historia. Desde el punto de vista de la aplicación, el uso de un sustrato metálico no es útil porque filtra las propiedades, "Es un gran desafío en este campo", dijo Kolmer. "¿Cómo podemos desacoplar eficazmente 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. lo que requiere grabar el sustrato metálico. Este proceso contradice el cuidadoso, precisión limpia utilizada en la creación del sistema.

Para encontrar un proceso que funcione en un sustrato no metálico, Kolmer comenzó a experimentar con superficies de óxido, imitando las estrategias utilizadas en el metal. Finalmente, se dirigió a un grupo de químicos europeos que se especializan en química de fluoroareno y comenzó a centrarse en un diseño para un precursor químico que permitiría la síntesis directamente en la superficie del dióxido de titanio rutilo.

"La síntesis en superficie nos permite fabricar materiales con una precisión muy alta y, para lograrlo, empezamos con precursores moleculares, "Li, un autor principal del artículo que dirigió el equipo de CNMS, dijo. "Las reacciones que necesitábamos para obtener ciertas propiedades están esencialmente programadas 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 la superficie es el amplio conjunto de materiales candidatos que se pueden utilizar como precursores, permitiendo un alto nivel de programabilidad, "Li agregó.

La aplicación precisa de productos químicos para desacoplar el sistema también ayudó a mantener una estructura de cubierta abierta, permitiendo 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 tienen estados magnéticos acoplados, 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 ". Dado que hay poca perturbación en las interacciones magnéticas en materiales moleculares basados ​​en carbono, este método permite programar estados magnéticos de larga duración desde el interior del material.

Su enfoque crea una cinta de alta precisión, desacoplado del sustrato, lo cual es deseable para aplicaciones de ciencia de la información espintrónica y cuántica. El sistema resultante es ideal para ser explorado y construido más, posiblemente como un transistor a nanoescala, ya que tiene una banda prohibida amplia, a través del espacio entre los estados electrónicos que se necesita para transmitir una señal de encendido / apagado.