La division d'un nanotube de nitrure de bore pour former un nanoruban de nitrure de bore montre des atomes de bore en bleu, l'azote en jaune et le potassium en rose. La pression de l'intercalation du potassium décompresse le BNNT et forme des couches de BNNR. Crédit :avec l'aimable autorisation du groupe Alex Zettl
(PhysOrg.com) -- Pour les célébrités d'Hollywood, le terme « splitsville » signifie généralement « vérifiez votre contrat de mariage ». Pour les scientifiques souhaitant produire en masse des nanorubans de haute qualité à partir de nanotubes de nitrure de bore, "splitsville" pourrait signifier "heureusement pour toujours".
Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie (UC) Berkeley, travailler avec des scientifiques de l'Université Rice, ont développé une technique dans laquelle des nanotubes de nitrure de bore sont bourrés d'atomes de potassium jusqu'à ce que les tubes s'ouvrent le long d'un joint longitudinal. Cela crée des nanorubans de nitrure de bore sans défaut de longueurs et d'épaisseur uniformes. Les nanorubans de nitrure de bore devraient afficher une variété de propriétés magnétiques et électroniques intrigantes qui recèlent un potentiel énorme pour les futurs appareils.
Les nanorubans sont des monocristaux bidimensionnels (c'est-à-dire un seul atome d'épaisseur) qui peuvent mesurer plusieurs microns de longueur, mais seulement quelques centaines de nanomètres ou moins de largeur. Nanorubans de graphène, qui sont fabriqués à partir de carbone pur, transporter des électrons à des vitesses beaucoup plus rapides que le silicium, et peut être utilisé pour couvrir de larges zones et un large assortiment de formes. Les nanorubans de nitrure de bore offrent des avantages similaires ainsi qu'un réseau supplémentaire de composants électroniques, propriétés optiques et magnétiques.
« Il y a eu une quantité importante de travaux théoriques indiquant que, selon les bords du ruban, les nanorubans de nitrure de bore peuvent présenter un ferromagnétisme ou un antiferromagnétisme, ainsi que le transport polarisé en spin qui est soit métallique soit semi-conducteur, " dit le physicien Alex Zettl, l'un des plus éminents chercheurs au monde sur les systèmes et dispositifs à l'échelle nanométrique qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux (MSD) du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley, où il est directeur du Centre des systèmes nanomécaniques intégrés (COINS).
"Les propriétés uniques des nanorubans de nitrure de bore sont d'un grand intérêt scientifique fondamental et ont également des implications pour les applications dans les technologies qui incluent la spintronique et l'optoélectronique, " dit Zettl. " Cependant, le facile, la synthèse évolutive de nanorubans de nitrure de bore de haute qualité a été un défi de taille."
Zettl et les membres de son groupe de recherche ont relevé ce défi en utilisant le processus chimique connu sous le nom d'« intercalation, " par lequel des atomes ou des molécules d'un type sont insérés entre des atomes et des molécules d'un autre type. James Tour de l'Université Rice et son groupe de recherche avaient démontré que l'intercalation d'atomes de potassium dans des nanotubes de carbone favorise une division longitudinale des tubes. Cela a incité Zettl et Tour pour collaborer à une étude utilisant la même approche sur les nanotubes de nitrure de bore, dont la structure est très similaire à celle des nanotubes en carbone.
Cette micrographie MET montre un nanoruban de nitrure de bore (à gauche) qui s'est détaché de son nanotube de nitrure de bore parent (à droite). Crédit :avec l'aimable autorisation du groupe Zettl
Zettl et Tour ont rapporté les résultats de cette étude dans la revue Lettres nano . L'article s'intitulait « Fractionnement longitudinal des nanotubes de nitrure de bore pour la synthèse facile de nanorubans de nitrure de bore de haute qualité ». Les co-auteurs de l'article étaient Kris Erickson, Ashley Gibb, Michael Rousseas et Nasim Alem, qui sont tous membres du groupe de recherche de Zettl, et Alexandre Sinitskii, membre du groupe de recherche de Tour.
"Le mécanisme probable de la division des nanotubes de carbone et de nitrure de bore est que les îlots de potassium se développent à partir d'un point de départ initial d'intercalation, " dit Zettl. " Cette croissance insulaire se poursuit jusqu'à ce qu'une contrainte circonférentielle suffisante entraîne une rupture des liaisons chimiques du nanotube intercalé. Le potassium commence alors à se lier au bord nu du ruban, induisant davantage de division."
Cette technique de synthèse donne des nanorubans de nitrure de bore de largeurs uniformes qui peuvent être aussi étroites que 20 nanomètres. Les rubans ont également une longueur d'au moins un micron, avec des défauts minimes dans le plan ou le long des bords. Zettl dit que la haute qualité des bords indique que le processus de division est ordonné plutôt qu'aléatoire. Cet ordre pourrait expliquer pourquoi une proportion élevée des nanorubans de nitrure de bore présentent les bords convoités en zigzag ou en forme de fauteuil, plutôt que d'autres orientations de bord.
Les bords sont des déterminants essentiels des propriétés d'un nanoruban car les électrons le long du bord d'un bord de ruban peuvent interagir avec les électrons le long du bord d'un autre ruban, résultant en le type d'écart énergétique qui est crucial pour la fabrication d'appareils. Par exemple, les bords en zigzag des nanorubans de graphène se sont avérés capables de transporter un courant magnétique, ce qui en fait des candidats pour la spintronique, la technologie informatique basée sur le spin plutôt que sur la charge des électrons.
Kris Ericson, qui était l'auteur principal de la Lettres nano papier, dit ça, "Compte tenu de la dépendance importante vis-à-vis des bords des nanorubans en nitrure de bore pour imprégner des propriétés électroniques et magnétiques particulières, la forte probabilité de synthétiser des rubans avec des bords en zigzag et des fauteuils rend notre technique particulièrement adaptée pour répondre aux prédictions théoriques et réaliser les applications proposées."
Erickson dit également qu'il devrait être possible de fonctionnaliser les bords des nanorubans de nitrure de bore, car ces bords se terminent par des atomes de potassium chimiquement réactifs après la synthèse et par des atomes d'hydrogène réactifs après exposition à l'eau ou à l'éthanol.
"Le bord terminé par le potassium pourrait facilement être remplacé par une espèce autre que l'hydrogène, " Dit Erickson. " Différents produits chimiques pourraient être utilisés pour la trempe pour conférer d'autres terminaisons, et, par ailleurs, l'hydrogène pourrait être remplacé après trempe soit en utilisant des voies établies de fonctionnalisation du nitrure de bore, ou en concevant de nouvelles routes uniques au bord nanoruban hautement réactif."
Zettl et son groupe de recherche étudient actuellement des synthèses alternatives utilisant différents précurseurs de nanotubes de nitrure de bore pour augmenter les rendements et améliorer le processus de purification. Ils tentent également de fonctionnaliser les bords de leurs nanorubans et ils sont en train de déterminer si les différents états de bord prédits pour ces nanorubans peuvent être étudiés.
"Ce dont nous avons le plus besoin en ce moment, c'est d'une meilleure source de nanotubes de nitrure de bore, " dit Zettl.
