(PhysOrg.com) -- Dès les années 1990, bien avant que quiconque n'ait réellement isolé le graphène – un réseau en nid d'abeille de carbone d'une épaisseur d'un atome seulement – ​​les théoriciens prédisaient des propriétés extraordinaires sur les bords des nanorubans de graphène. Aujourd'hui physiciens au Laboratoire national Lawrence Berkeley du département de l'Énergie des États-Unis (Berkeley Lab), et leurs collègues de l'Université de Californie à Berkeley, Université de Stanford, et d'autres établissements, ont effectué les premières mesures précises des "états de bord" de nanorubans bien ordonnés.

Un nanoruban de graphène est une bande de graphène qui peut ne mesurer que quelques nanomètres de large (un nanomètre correspond à un milliardième de mètre). Les théoriciens ont imaginé que les nanorubans, en fonction de leur largeur et de l'angle de coupe, aurait électronique unique, magnétique, et caractéristiques optiques, y compris les bandes interdites comme celles des semi-conducteurs, quelle feuille de graphène n'a pas.

"Jusqu'à présent, personne n'a été en mesure de tester les prédictions théoriques concernant les états de bord des nanorubans, parce que personne ne pouvait comprendre comment voir la structure à l'échelle atomique au bord d'un nanoruban de graphène bien ordonné et comment, à la fois, mesurer ses propriétés électroniques à quelques nanomètres du bord, " déclare Michael Crommie de la division des sciences des matériaux (MSD) de Berkeley Lab et de la division de physique de l'UC Berkeley, qui a dirigé la recherche. "Nous avons pu y parvenir en étudiant des nanorubans spécialement fabriqués avec un microscope à effet tunnel."

Les recherches de l'équipe confirment non seulement les prédictions théoriques, mais ouvrent la perspective de construire des dispositifs nanométriques économes en énergie à partir de commutateurs graphène-nanoruban, vannes d'essorage, et détecteurs, basé soit sur la charge électronique, soit sur le spin électronique. Plus loin sur la route, Les états de bord du nanoruban de graphène ouvrent la possibilité de dispositifs avec une magnétorésistance géante accordable et d'autres effets magnétiques et optiques.

Crommie et ses collègues ont publié leurs recherches dans Physique de la nature , disponible le 8 mai 2011 en publication avancée en ligne.

Le nanoruban bien trempé

"Faire des flocons et des feuilles de graphène est devenu monnaie courante, " Crommie dit, "mais jusqu'à maintenant, des nanorubans produits par différentes techniques ont montré, au mieux, un degré élevé d'inhomogénéité" - résultant généralement en des structures de ruban désordonnées avec seulement de courtes étendues de bords droits apparaissant au hasard. La première étape essentielle dans la détection des états de bord de nanoruban est l'accès à des nanorubans uniformes avec des bords droits, bien ordonné à l'échelle atomique.

Hongjie Dai du département de chimie et du laboratoire des matériaux avancés de l'université de Stanford, membre de l'équipe de recherche, résolu ce problème avec une nouvelle méthode de "décompression" chimique des nanotubes de carbone. Le graphène roulé dans un cylindre fait un nanotube, et lorsque les nanotubes sont décompressés de cette manière, la tranche s'étend tout droit sur toute la longueur du tube, partir bien ordonné, bords droits.

Le graphène peut être enveloppé à presque n'importe quel angle pour faire un nanotube. La façon dont le nanotube est enveloppé détermine le pas, ou "vecteur chiral, " du bord du nanoruban lorsque le tube est décompressé. Une coupe droite le long des atomes extérieurs d'une rangée d'hexagones produit un bord en zigzag. Une coupe faite à un angle de 30 degrés à partir d'un bord en zigzag passe par le milieu des hexagones et donne bords festonnés, bords dits "de fauteuil". Entre ces deux extrêmes se trouvent une variété de vecteurs chiraux décrivant des bords échelonnés à l'échelle nanométrique, dans lequel, par exemple, après quelques hexagones, un segment en zigzag est ajouté à un angle.

Ces différences subtiles dans la structure des bords ont été prédites pour produire des propriétés physiques sensiblement différentes, qui pourraient potentiellement être exploitées dans de nouvelles applications de graphène. Steven Louie de l'UC Berkeley et du MSD de Berkeley Lab était le théoricien de l'équipe de recherche; avec l'aide du postdoctorant Oleg Yazyev, Louie a calculé les résultats attendus, qui ont ensuite été testés par rapport à l'expérience.

Chenggang Tao de MSD et UCB a dirigé une équipe d'étudiants diplômés dans la réalisation d'une microscopie à effet tunnel (STM) des nanorubans sur un substrat d'or, qui a résolu les positions des atomes individuels dans les nanorubans de graphène. L'équipe a examiné plus de 150 nanorubans de haute qualité avec différentes chiralités, qui ont tous montré une caractéristique inattendue, une bordure surélevée régulière près de leurs bords formant une bosse ou un biseau. Une fois que cela a été établi comme une véritable caractéristique de bord - et non l'artefact d'un ruban plié ou d'un nanotube aplati - la chiralité et les propriétés électroniques des bords de nanoruban bien ordonnés ont pu être mesurées en toute confiance, et les régions de bord théoriquement modélisées.

L'électronique à la pointe

"Les feuilles de graphène à deux dimensions sont remarquables par la liberté avec laquelle les électrons se déplacent à travers elles, y compris le fait qu'il n'y a pas de bande interdite, " dit Crommie. " Les nanorubans sont différents :les électrons peuvent être piégés dans des canaux étroits le long des bords des nanorubans. Ces états de bord sont unidimensionnels, mais les électrons d'un bord peuvent toujours interagir avec les électrons de bord de l'autre côté, ce qui provoque l'ouverture d'un fossé énergétique."

Utilisation d'un STM en mode spectroscopie (STS), l'équipe a mesuré les changements de densité électronique lorsqu'une pointe STM a été déplacée d'un bord de nanoruban vers l'intérieur vers son intérieur. Des nanorubans de différentes largeurs ont ainsi été examinés. Les chercheurs ont découvert que les électrons sont confinés au bord des nanorubans, et que ces électrons de bord de nanoruban présentent une division prononcée de leurs niveaux d'énergie.

« Dans le monde quantique, les électrons peuvent être décrits comme des ondes en plus d'être des particules, " note Crommie. Il dit qu'une façon d'imaginer comment différents états de bord apparaissent est d'imaginer une onde d'électrons qui remplit la longueur du ruban et diffracte les atomes près de son bord. Les motifs de diffraction ressemblent à des ondes d'eau traversant des fentes dans une barrière.

For nanoribbons with an armchair edge, the diffraction pattern spans the full width of the nanoribbon; the resulting electron states are quantized in energy and extend spatially throughout the entire nanoribbon. For nanoribbons with a zigzag edge, cependant, the situation is different. Here diffraction from edge atoms leads to destructive interference, causing the electron states to localize near the nanoribbon edges. Their amplitude is greatly reduced in the interior.

The energy of the electron, the width of the nanoribbon, and the chirality of its edges all naturally affect the nature and strength of these nanoribbon electronic states, an indication of the many ways the electronic properties of nanoribbons can be tuned and modified.

Says Crommie, "The optimist says, 'Wow, look at all the ways we can control these states – this might allow a whole new technology!' The pessimist says, 'Uh-oh, look at all the things that can disturb a nanoribbon's behavior – how are we ever going to achieve reproducibility on the atomic scale?'"

Crommie himself declares that "meeting this challenge is a big reason for why we do research. Nanoribbons have the potential to form exciting new electronic, magnétique, and optical devices at the nanoscale. We might imagine photovoltaic applications, where absorbed light leads to useful charge separation at nanoribbon edges. We might also imagine spintronics applications, where using a side-gate geometry would allow control of the spin polarization of electrons at a nanoribbon's edge."

Although getting there won't be simple -- "The edges have to be controlled, " Crommie emphasizes -- "what we've shown is that it's possible to make nanoribbons with good edges and that they do, En effet, have characteristic edge states similar to what theorists had expected. This opens a whole new area of future research involving the control and characterization of graphene edges in different nanoscale geometries."