Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Cologne a réussi pour la première fois à connecter plusieurs nanorubans atomiquement précis en graphène, une modification du carbone, former des structures complexes. Les scientifiques ont synthétisé et caractérisé par spectroscopie des hétérojonctions de nanoruban. Ils ont ensuite pu intégrer les hétérojonctions dans un composant électronique. De cette façon, ils ont créé un nouveau capteur très sensible aux atomes et aux molécules. Les résultats de leurs recherches ont été publiés sous le titre « Tunneling current modulation in atomically precise graphene nanoribbon heterojunctions » dans Communication Nature . Les travaux ont été menés en étroite collaboration entre l'Institut de physique expérimentale et le Département de chimie de l'Université de Cologne, ainsi qu'avec des groupes de recherche de Montréal, Novossibirsk, Hiroshima, et Berkeley. Il a été financé par la Fondation allemande pour la recherche (DFG) et le Conseil européen de la recherche (ERC).

Les hétérojonctions des nanorubans de graphène ne mesurent qu'un nanomètre - un millionième de millimètre - de large. Le graphène se compose d'une seule couche d'atomes de carbone et est considéré comme le matériau le plus fin au monde. En 2010, des chercheurs de Manchester ont réussi pour la première fois à fabriquer des couches de graphène à un seul atome, pour lequel ils ont remporté le prix Nobel. "Les hétérojonctions de nanoruban de graphène utilisées pour fabriquer le capteur ont chacune sept et quatorze atomes de carbone de large et environ 50 nanomètres de long. Ce qui les rend spéciaux, c'est que leurs bords sont exempts de défauts. C'est pourquoi ils sont appelés nanorubans "atomiquement précis", " a expliqué le Dr Boris Senkovskiy de l'Institut de physique expérimentale. Les chercheurs ont connecté plusieurs de ces hétérojonctions de nanoruban à leurs extrémités courtes, créant ainsi des hétérostructures plus complexes qui agissent comme des barrières tunnel.

Les hétérostructures ont été étudiées en utilisant la photoémission à résolution angulaire, spectroscopie optique, et la microscopie à effet tunnel. A l'étape suivante, les hétérostructures générées ont été intégrées dans un dispositif électronique. Le courant électrique circulant à travers l'hétérostructure du nanoruban est régi par l'effet tunnel de la mécanique quantique. Cela signifie que sous certaines conditions, les électrons peuvent surmonter les barrières énergétiques existantes dans les atomes en ' de sorte qu'un courant circule alors même si la barrière est supérieure à l'énergie disponible de l'électron.

Les chercheurs ont construit un nouveau capteur pour l'adsorption d'atomes et de molécules à partir de l'hétérostructure nanoruban. Le courant tunnel à travers l'hétérostructure est particulièrement sensible aux adsorbats qui s'accumulent sur les surfaces. C'est-à-dire, la force actuelle change lorsque des atomes ou des molécules, comme celles des gaz, s'accumuler à la surface du capteur. "Le prototype de capteur que nous avons construit a d'excellentes propriétés. Entre autres, il est particulièrement sensible et peut être utilisé pour mesurer même les plus petites quantités d'adsorbats, " a déclaré le professeur Dr Alexander Grüneis, chef d'un groupe de recherche à l'Institut de physique expérimentale.