Автор AZoNano Май 19 2021

Графеновые наноленты (GNR), узкие полоски однослойного графена, обладают интересными физическими, электрическими, тепловыми и оптическими свойствами из-за взаимодействия между их кристаллической и электронной структурой. Эти новые характеристики выдвинули их на передний план в поисках путей продвижения нанотехнологий следующего поколения.

В то время как восходящие технологии изготовления теперь позволяют синтезировать широкий спектр графеновых нанолент с четко определенной геометрией краев, шириной и включениями гетероатомов, вопрос о том, присутствует ли структурный беспорядок в этих ГНЛ с атомарной точностью, и в какой степени все еще остается предметом споров. Ответ на эту загадку имеет решающее значение для любых потенциальных приложений или конечных устройств.

Сотрудничество между руководителем группы вычислительной физики конденсированного состояния в EPFL Олега Язьева и экспериментальной лабораторией Романа Фазеля [email protected] в Empa подготовило две статьи, в которых этот вопрос рассматривается в виде графеновых нанолент с подлокотниками и зигзагообразными краями.

«Известно, что несовершенства играют важную роль в формировании ряда функциональных возможностей кристаллов», – сказал Микеле Пиццочеро, ранее аспирант лаборатории Олега Язьева в EPFL, а теперь доктор наук. исследователь Гарвардского университета. «В этих статьях мы выявили повсеместные дефекты« укуса », а именно недостающие группы атомов углерода, в качестве основного типа структурного беспорядка в графеновых нанолентах, изготовленных посредством синтеза на поверхности. Хотя мы обнаружили, что дефекты« укуса »разрушаются производительность электронных устройств на основе графеновых нанолент, в некоторых случаях эти недостатки могут открывать захватывающие возможности для приложений спинтроники благодаря своим особым магнитным свойствам ».

Кресло-графеновые наноленты

В статье «Квантовый перенос электронов через« укусы »в графеновых нанолентах» недавно опубликованной в 2D Materials конкретно рассматриваются «кресельные» графеновые наноленты шириной 9 атомов (9- AGNR). Механическая прочность, долговременная стабильность в условиях окружающей среды, легкость переноса на целевые подложки, масштабируемость производства и подходящая ширина запрещенной зоны этих ГНЛ сделали их одними из наиболее многообещающих кандидатов для интеграции в качестве активных каналов в полевых транзисторах. (Полевые транзисторы). Действительно, среди электронных устройств на основе графена, реализованных к настоящему времени, полевые транзисторы 9-AGNR демонстрируют самые высокие характеристики.

В то время как вредная роль дефектов в электронных устройствах хорошо известна, барьеры Шоттки, барьеры потенциальной энергии для электронов, образующиеся на переходах металл-полупроводник, ограничивают характеристики современных полевых GNR-транзисторов и не позволяют экспериментально определить влияние дефектов на производительность устройства. В статье 2D Materials исследователи сочетают экспериментальный и теоретический подходы к исследованию дефектов в восходящих AGNR.

Сканирующая туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия впервые позволили исследователям идентифицировать отсутствующие бензольные кольца по краям как очень распространенный дефект в 9-AGNR и оценить как плотность, так и пространственное распределение этих дефектов, которые они назвали «прикус» дефект. Они измерили плотность и обнаружили, что они имеют сильную тенденцию к агрегированию. Затем исследователи использовали расчеты из первых принципов, чтобы изучить влияние таких дефектов на квантовый перенос заряда, обнаружив, что эти дефекты значительно нарушают его на краях зоны за счет снижения проводимости.

Эти теоретические открытия затем систематически обобщаются на более широкие наноленты, что позволяет исследователям установить практические рекомендации по минимизации пагубной роли этих дефектов в переносе заряда, что является важным шагом на пути к реализации новых электронных устройств на основе углерода.

Зигзагообразные графеновые наноленты

В статье «Краевой беспорядок в восходящих зигзагообразных графеновых нанолентах: последствия для магнетизма и квантового электронного транспорта» недавно опубликованной в Journal of Physical Chemistry Letters, та же группа исследователей объединяет сканирующий зонд микроскопические эксперименты и расчеты из первых принципов для изучения структурного беспорядка и его влияния на магнетизм и электронный транспорт в так называемых зигзагообразных восходящих ГНЛ (ZGNR).

ZGNR уникальны из-за их нетрадиционного безметаллового магнитного порядка, который, согласно прогнозам, сохраняется до комнатной температуры. Они обладают магнитными моментами, которые связаны ферромагнитно по краю и антиферромагнитно по нему, и было показано, что электронные и магнитные структуры могут быть в значительной степени модулированы, например, с помощью легирования заряда, электрических полей, деформаций решетки или инженерии дефектов. . Комбинация настраиваемых магнитных корреляций, значительной ширины запрещенной зоны и слабого спин-орбитального взаимодействия сделало эти ГНЛ перспективными кандидатами для операций спиновой логики. В исследовании конкретно рассматриваются шестиуглеродные зигзагообразные линии широких графеновых нанолент (6-ZGNR), единственная ширина ZGNR, которая до сих пор была достигнута с помощью восходящего подхода

Опять же, используя сканирующую туннельную микроскопию и атомно-силовую микроскопию, исследователи сначала идентифицируют наличие повсеместных углеродных вакансионных дефектов, расположенных на краях нанолент, а затем разрешают их атомную структуру. Их результаты показывают, что каждая вакансия содержит недостающую единицу м-ксилола, то есть еще один дефект «укуса» который, как и в случае с AGNR, происходит из-за разрыва связи CC, который происходит во время процесс циклодегидрирования реакции. По оценкам исследователей, плотность «укусов» дефектов в 6-ZGNR больше, чем у эквивалентных дефектов в восходящих AGNR.

Влияние этих дефектов прикуса на электронную структуру и квантовые транспортные свойства 6-ZGNR снова исследуется теоретически. Они обнаружили, что введение дефекта, как и AGNR, вызывает значительное нарушение проводимости. Кроме того, в этой наноструктуре эти непреднамеренные дефекты вызывают дисбаланс подрешеток и спинов, вызывая локальный магнитный момент. Это, в свою очередь, приводит к спин-поляризованному переносу заряда, что делает дефектные зигзагообразные наноленты оптимально подходящими для приложений в полностью углеродной логической спинтронике в пределе масштабируемости.

Сравнение ZGNR и AGNR равной ширины показывает, что транспорт через первый менее чувствителен к появлению как единичных, так и множественных дефектов, чем во втором. В целом, исследование дает глобальную картину воздействия этих повсеместных дефектов «укуса» на низкоэнергетическую электронную структуру восходящих графеновых нанолент. По словам исследователей, будущие исследования могут быть сосредоточены на изучении других типов точечных дефектов, экспериментально наблюдаемых на краях таких нанолент.

Источник: https://nccr-marvel.ch/