Ce nanoruban de graphène a été fabriqué de bas en haut à partir d'un précurseur moléculaire. La largeur du nanoruban et les effets de bord influencent le comportement électronique. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie ; microscopie à effet tunnel par Chuanxu Ma et An-Ping Li
Une nouvelle façon de faire pousser des rubans étroits de graphène, une structure légère et solide d'atomes de carbone à un seul atome d'épaisseur liés en hexagones, peut combler une lacune qui a empêché le matériau d'atteindre son plein potentiel dans les applications électroniques. Nanorubans de graphène, à peine des milliardièmes de mètre de large, présentent des propriétés électroniques différentes de celles des feuilles bidimensionnelles du matériau.
"Le confinement modifie le comportement du graphène, " dit An-Ping Li, un physicien au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Le graphène en feuilles est un excellent conducteur électrique, mais le rétrécissement du graphène peut transformer le matériau en semi-conducteur si les rubans sont fabriqués avec une forme de bord spécifique.
Les efforts précédents pour fabriquer des nanorubans de graphène utilisaient un substrat métallique qui entravait les propriétés électroniques utiles des rubans.
Maintenant, des scientifiques de l'ORNL et de la North Carolina State University rapportent dans le journal Communication Nature qu'ils sont les premiers à faire croître des nanorubans de graphène sans substrat métallique. Au lieu, ils ont injecté des porteurs de charge qui favorisent une réaction chimique qui convertit un précurseur de polymère en un nanoruban de graphène. Sur des sites sélectionnés, cette nouvelle technique permet de créer des interfaces entre des matériaux aux propriétés électroniques différentes. De telles interfaces sont à la base des dispositifs électroniques à semi-conducteurs, des circuits intégrés et des transistors aux diodes électroluminescentes et aux cellules solaires.
"Le graphène est merveilleux, mais il a des limites, " dit Li. " En larges draps, il n'a pas de trou d'énergie - une plage d'énergie dans un solide où aucun état électronique ne peut exister. Cela signifie que vous ne pouvez pas l'activer ou le désactiver."
Lorsqu'une tension est appliquée à une feuille de graphène dans un appareil, les électrons circulent librement comme ils le font dans les métaux, limitant sévèrement l'application du graphène dans l'électronique numérique.
"Quand le graphène devient très étroit, il crée un fossé énergétique, " dit Li. " Plus le ruban est étroit, plus l'écart énergétique est grand."
Un nanoruban de graphène est né. Un microscope à effet tunnel injecte des porteurs de charge appelés « trous » dans un précurseur polymère, déclencher une réaction appelée cyclodéshydrogénation sur ce site, créant un endroit spécifique où un nanoruban de graphène autonome se forme de bas en haut. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Dans des nanorubans de graphène très étroits, d'une largeur d'un nanomètre voire moins, la façon dont les structures se terminent au bord du ruban est également importante. Par exemple, couper du graphène le long d'un hexagone crée un bord qui ressemble à un fauteuil ; ce matériau peut agir comme un semi-conducteur. L'excision des triangles du graphène crée un bord en zigzag et un matériau au comportement métallique.
Pour faire croître des nanorubans de graphène avec une largeur et une structure de bord contrôlées à partir de précurseurs polymères, des chercheurs précédents avaient utilisé un substrat métallique pour catalyser une réaction chimique. Cependant, le substrat métallique supprime les états de bord utiles et réduit la bande interdite souhaitée.
Li et ses collègues ont entrepris de se débarrasser de ce substrat métallique gênant. Au Centre des sciences des matériaux en nanophase, une installation utilisateur du DOE Office of Science à l'ORNL, ils ont utilisé la pointe d'un microscope à effet tunnel pour injecter des porteurs de charge négatifs (électrons) ou des porteurs de charge positifs ("trous") pour tenter de déclencher la réaction chimique clé. Ils ont découvert que seuls les trous le déclenchaient. Ils ont ensuite réussi à fabriquer un ruban de seulement sept atomes de carbone de large - moins d'un nanomètre de large - avec des bords dans la conformation du fauteuil.
"Nous avons compris le mécanisme fondamental, C'est, comment l'injection de charge peut abaisser la barrière de réaction pour favoriser cette réaction chimique, " dit Li. Déplacer la pointe le long de la chaîne polymère, les chercheurs ont pu sélectionner l'endroit où ils ont déclenché cette réaction et convertir un hexagone du réseau de graphène à la fois.
Prochain, les chercheurs réaliseront des hétérojonctions avec différentes molécules précurseurs et exploreront des fonctionnalités. Ils sont également impatients de voir combien de temps les électrons peuvent voyager dans ces rubans avant de se disperser, et le comparera à un nanoruban de graphène fabriqué d'une autre manière et connu pour conduire extrêmement bien les électrons. L'utilisation d'électrons comme des photons pourrait fournir la base d'un nouveau dispositif électronique qui pourrait transporter du courant avec pratiquement aucune résistance, même à température ambiante.
"C'est un moyen d'adapter les propriétés physiques aux applications énergétiques, " dit Li. "C'est un excellent exemple d'écriture directe. Vous pouvez diriger le processus de transformation au niveau moléculaire ou atomique." De plus, le processus pourrait être étendu et automatisé.
Le titre de l'article actuel est « Conversion contrôlable de chaînes polymères quasi autonomes en nanorubans de graphène ».
