Une équipe internationale de scientifiques multi-institutions a synthétisé des nanorubans de graphène - des bandes ultrafines d'atomes de carbone - sur une surface de dioxyde de titane à l'aide d'une méthode atomiquement précise qui supprime une barrière pour les nanostructures de carbone conçues sur mesure requises pour les sciences de l'information quantique.

Le graphène est composé de couches de carbone d'une épaisseur d'un seul atome prenant en charge l'ultra-léger, caractéristiques mécaniques conductrices et extrêmement résistantes. Le matériau populairement étudié promet de transformer l'électronique et les sciences de l'information en raison de son électronique hautement ajustable, propriétés optiques et de transport.

Une fois façonné en nanorubans, le graphène pourrait être appliqué dans des dispositifs à l'échelle nanométrique ; cependant, le manque de précision à l'échelle atomique dans l'utilisation des méthodes synthétiques « top-down » de pointe actuelles – découper une feuille de graphène en bandes étroites – empêche l'utilisation pratique du graphène.

Les chercheurs ont développé une approche « bottom-up » :construire le nanoruban de graphène directement au niveau atomique de manière à pouvoir l'utiliser dans des applications spécifiques, qui a été conçu et réalisé au Center for Nanophase Materials Sciences, ou CNMS, situé au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie.

Cette méthode de précision absolue a permis de conserver les propriétés prisées des monocouches de graphène à mesure que les segments de graphène deviennent de plus en plus petits. Une différence de largeur d'un ou deux atomes peut modifier considérablement les propriétés du système, transformer un ruban semi-conducteur en un ruban métallique. Les résultats de l'équipe ont été décrits dans Science .

Marek Kolmer de l'ORNL, An-Ping Li et Wonhee Ko du groupe de microscopie à effet tunnel du CNMS ont collaboré au projet avec des chercheurs d'Espeem, une société de recherche privée, et plusieurs institutions européennes :Friedrich Alexander University Erlangen-Nuremberg, Université Jagellonne et Université Martin Luther de Halle-Wittenberg.

L'expertise unique de l'ORNL en matière de microscopie à effet tunnel a été essentielle au succès de l'équipe, à la fois dans la manipulation du matériau précurseur et dans la vérification des résultats.

"Ces microscopes permettent d'imager et de manipuler directement la matière à l'échelle atomique, " Kolmer, un stagiaire postdoctoral et l'auteur principal de l'article, mentionné. "La pointe de l'aiguille est si fine qu'elle a essentiellement la taille d'un seul atome. Le microscope se déplace ligne par ligne et mesure constamment l'interaction entre l'aiguille et la surface et rend une carte atomiquement précise de la structure de la surface."

Dans les expériences passées sur le nanoruban de graphène, le matériau a été synthétisé sur un substrat métallique, ce qui supprime inévitablement les propriétés électroniques des nanorubans.

"Faire fonctionner les propriétés électroniques de ces rubans comme prévu, c'est toute l'histoire. D'un point de vue applicatif, l'utilisation d'un substrat métallique n'est pas utile car elle filtre les propriétés, ", a déclaré Kolmer. "C'est un grand défi dans ce domaine - comment découpler efficacement le réseau de molécules à transférer à un transistor?"

L'approche de découplage actuelle consiste à retirer le système des conditions de vide ultra-élevé et à le soumettre à un processus de chimie humide en plusieurs étapes, ce qui nécessite de graver le substrat métallique. Ce processus contredit le soin, précision propre utilisée dans la création du système.

Pour trouver un procédé qui fonctionnerait sur un substrat non métallique, Kolmer a commencé à expérimenter avec des surfaces d'oxyde, imitant les stratégies utilisées sur le métal. Finalement, il s'est tourné vers un groupe de chimistes européens spécialisés dans la chimie du fluoroarène et a commencé à concevoir un précurseur chimique qui permettrait la synthèse directement à la surface du dioxyde de titane rutile.

« La synthèse en surface nous permet de fabriquer des matériaux avec une très grande précision et pour y parvenir, nous avons commencé avec des précurseurs moléculaires, " Li, un auteur principal de l'article qui a dirigé l'équipe au CNMS, mentionné. "Les réactions dont nous avions besoin pour obtenir certaines propriétés sont essentiellement programmées dans le précurseur. Nous connaissons la température à laquelle une réaction se produira et en ajustant les températures, nous pouvons contrôler la séquence des réactions."

"Un autre avantage de la synthèse en surface est le large pool de matériaux candidats pouvant être utilisés comme précurseurs, permettant un haut niveau de programmabilité, " ajouta Li.

L'application précise de produits chimiques pour découpler le système a également contribué à maintenir une structure à coque ouverte, permettant aux chercheurs d'accéder au niveau de l'atome pour s'appuyer sur et étudier des molécules aux propriétés quantiques uniques. "C'était particulièrement gratifiant de découvrir que ces rubans de graphène ont des états magnétiques couplés, aussi appelés états de spin quantique, à leurs extrémités, " a déclaré Li. " Ces états nous fournissent une plate-forme pour étudier les interactions magnétiques, dans l'espoir de créer des qubits pour des applications en science de l'information quantique." Comme il y a peu de perturbations des interactions magnétiques dans les matériaux moléculaires à base de carbone, cette méthode permet de programmer des états magnétiques de longue durée depuis l'intérieur du matériau.

Leur approche crée un ruban de haute précision, découplée du substrat, ce qui est souhaitable pour les applications de l'informatique spintronique et quantique. Le système résultant est idéalement adapté pour être exploré et développé plus avant, éventuellement en tant que transistor nanométrique car il a une large bande interdite, à travers l'espace entre les états électroniques qui est nécessaire pour transmettre un signal marche/arrêt.