Nanocintas de grafeno (GNR), tiras estrechas de grafeno de una sola capa, tener un físico interesante, eléctrico, térmico, y propiedades ópticas debido a la interacción entre sus estructuras cristalinas y electrónicas. Estas características novedosas los han llevado a la vanguardia en la búsqueda de formas de avanzar en las nanotecnologías de próxima generación.

Si bien las técnicas de fabricación de abajo hacia arriba ahora permiten la síntesis de una amplia gama de nanocintas de grafeno que presentan geometrías de borde bien definidas, anchos, e incorporaciones de heteroátomos, la cuestión de si el desorden estructural está presente o no en estos GNR atómicamente precisos, y en que medida todavía está sujeto a debate. La respuesta a este acertijo es de vital importancia para cualquier aplicación potencial o dispositivo resultante.

La colaboración entre el grupo teórico de la Cátedra de Física Computacional de la Materia Condensada de Oleg Yazyev en la EPFL y el Laboratorio de nanotecnología @ superficies experimental de Roman Fasel en Empa ha producido dos artículos que analizan este tema en nanocinta de grafeno con bordes de sillón y con bordes en zigzag.

"Se sabe que las imperfecciones juegan un papel importante en la configuración de una serie de funcionalidades en los cristales, "dijo Michele Pizzochero, anteriormente un Ph.D. estudiante en el laboratorio de Oleg Yazyev en EPFL y ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard. "En estos papeles, hemos revelado omnipresentes defectos de "mordida", es decir, grupos faltantes de átomos de carbono, como el principal tipo de trastorno estructural en las nanocintas de grafeno fabricadas mediante síntesis en la superficie. Aunque descubrimos que los defectos de mordida degradan el rendimiento de los dispositivos electrónicos basados ​​en nanocintas de grafeno, en algunos casos, estas imperfecciones pueden ofrecer oportunidades interesantes para aplicaciones espintrónicas gracias a sus peculiares propiedades magnéticas ".

Sillón nanocintas de grafeno

El artículo "Transporte electrónico cuántico a través de defectos de" mordida "en nanocintas de grafeno, "publicado recientemente en Materiales 2D , analiza específicamente las nanocintas de grafeno de sillón de 9 átomos de ancho (9-AGNR). La robustez mecánica, estabilidad a largo plazo en condiciones ambientales, fácil transferibilidad a los sustratos de destino, escalabilidad de fabricación, y el ancho de banda prohibida adecuado de estos GNR los ha convertido en uno de los candidatos más prometedores para la integración como canales activos en transistores de efecto de campo (FET). En efecto, entre los dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno realizados hasta ahora, Los 9-AGNR-FET muestran el rendimiento más alto.

Si bien es bien conocido el papel perjudicial de los defectos en los dispositivos electrónicos, Barreras de Schottky, barreras de energía potencial para los electrones formados en las uniones metal-semiconductor, ambos limitan el rendimiento de los GNR-FET actuales y evitan la caracterización experimental del impacto de los defectos en el rendimiento del dispositivo. En el Materiales 2D papel, los investigadores combinan enfoques experimentales y teóricos para investigar defectos en los AGNR ascendentes.

Las microscopías de barrido-túnel y de fuerza atómica primero permitieron a los investigadores identificar los anillos de benceno faltantes en los bordes como un defecto muy común en el 9-AGNR y estimar tanto la densidad como la distribución espacial de estas imperfecciones. que han denominado defectos de "mordida". Cuantificaron la densidad y encontraron que tienen una fuerte tendencia a agregarse. Luego, los investigadores utilizaron cálculos de primeros principios para explorar el efecto de tales defectos en el transporte de carga cuántica. encontrando que estas imperfecciones la alteran significativamente en los bordes de la banda al reducir la conductancia.

Estos hallazgos teóricos luego se generalizan a nanocintas más amplias de manera sistemática, permitir a los investigadores establecer pautas prácticas para minimizar el papel perjudicial de estos defectos en el transporte de carga, un paso fundamental hacia la realización de nuevos dispositivos electrónicos basados ​​en carbono.

Nanocintas de grafeno en zigzag

En el artículo "Desorden de bordes en nanocintas de grafeno en zigzag ascendente:implicaciones para el magnetismo y el transporte electrónico cuántico, "publicado recientemente en The Revista de letras de química física , el mismo equipo de investigadores combina experimentos de microscopía de sonda de barrido y cálculos de primeros principios para examinar el desorden estructural y su efecto sobre el magnetismo y el transporte electrónico en los llamados GNR en zigzag ascendente (ZGNR).

Los ZGNR son únicos debido a su orden magnético no convencional libre de metales que, según las predicciones, se conserva hasta temperatura ambiente. Poseen momentos magnéticos que se acoplan ferromagnéticamente a lo largo del borde y antiferromagnéticamente a través de él y se ha demostrado que las estructuras electrónicas y magnéticas pueden ser moduladas en gran medida por, por ejemplo, cobrar dopaje, campos eléctricos, deformaciones de celosía, o ingeniería de defectos. La combinación de correlaciones magnéticas sintonizables, El ancho de banda considerable y las interacciones débiles de la órbita de espín han convertido a estos GNR en candidatos prometedores para las operaciones lógicas de espín. El estudio analiza específicamente las nanocintas de grafeno anchas de líneas en zigzag de seis carbonos (6-ZGNR), el único ancho de ZGNR que se ha logrado con un enfoque de abajo hacia arriba hasta ahora.

Nuevamente usando microscopías de barrido-túnel y de fuerza atómica, los investigadores primero identifican la presencia de defectos ubicuos de vacantes de carbono ubicados en los bordes de las nanocintas y luego resuelven su estructura atómica. Sus resultados indican que cada vacante comprende una unidad de m-xileno faltante, es decir, otro defecto de "mordida", cuales, como con los que se ven en los AGNR, proviene de la escisión del enlace C-C que se produce durante el proceso de ciclodeshidrogenación de la reacción. Los investigadores estiman que la densidad de los defectos de "mordida" en los 6-ZGNR es mayor que la de los defectos equivalentes en los AGNR ascendentes.

El efecto de estos defectos de mordida en la estructura electrónica y las propiedades de transporte cuántico de los 6-ZGNR se examina de nuevo teóricamente. Encuentran que la introducción del defecto, de manera similar a los AGNR, provoca una alteración significativa de la conductancia. Es más, en esta nanoestructura, Estos defectos involuntarios inducen subred y desequilibrio de espín, provocando un momento magnético local. Esta, Sucesivamente, da lugar al transporte de carga de espín polarizado que hace que las nanocintas en zigzag defectuosas sean ideales para aplicaciones en espintrónica lógica totalmente de carbono en el límite máximo de escalabilidad.

Una comparación entre ZGNR y AGNR de igual ancho muestra que el transporte a través del primero es menos sensible a la introducción de defectos únicos y múltiples que en el segundo. En general, la investigación proporciona una imagen global del impacto de estos omnipresentes defectos de "mordida" en la estructura electrónica de baja energía de las nanocintas de grafeno de abajo hacia arriba. La investigación futura podría centrarse en la investigación de otros tipos de defectos puntuales observados experimentalmente en los bordes de tales nanocintas. dijeron los investigadores.