p (PhysOrg.com) - Já na década de 1990, muito antes que alguém tivesse realmente isolado o grafeno - uma rede de carbono em forma de favo de mel com apenas um átomo de espessura - os teóricos já previam propriedades extraordinárias nas bordas das nanofitas de grafeno. Agora físicos do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab), e seus colegas da Universidade da Califórnia em Berkeley, Universidade de Stanford, e outras instituições, fizeram as primeiras medições precisas dos "estados de borda" de nanofitas bem ordenadas. p Uma nanofita de grafeno é uma tira de grafeno que pode ter apenas alguns nanômetros de largura (um nanômetro é um bilionésimo de um metro). Os teóricos imaginaram que as nanofitas, dependendo de sua largura e do ângulo em que são cortados, teria eletrônicos únicos, magnético, e recursos ópticos, incluindo lacunas de banda como aquelas em semicondutores, qual folha de grafeno não tem.

p "Até agora, ninguém foi capaz de testar as previsões teóricas sobre os estados de borda dos nanofibras, porque ninguém conseguiu descobrir como ver a estrutura em escala atômica na borda de uma nanofita de grafeno bem ordenada e como, ao mesmo tempo, para medir suas propriedades eletrônicas dentro dos nanômetros da borda, "diz Michael Crommie da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley (MSD) e Divisão de Física da UC Berkeley, quem liderou a pesquisa. "Fomos capazes de conseguir isso estudando nanofitas feitas especialmente com um microscópio de tunelamento de varredura."

p A pesquisa da equipe não apenas confirma as previsões teóricas, mas abre a perspectiva de construção de ação rápida, dispositivos em nanoescala com eficiência energética a partir de interruptores de nanofita de grafeno, válvulas giratórias, e detectores, com base na carga do elétron ou no spin do elétron. Mais adiante na estrada, Os estados de borda de nanofibra de grafeno abrem a possibilidade de dispositivos com magnetorresistência gigante sintonizável e outros efeitos magnéticos e ópticos.

p Crommie e seus colegas publicaram suas pesquisas em Física da Natureza , disponível em 8 de maio, 2011 em publicação online avançada.

p O nanoribão bem temperado

p "Fazer flocos e folhas de grafeno se tornou comum, "Crommie diz, "mas até agora, nanofitas produzidas por diferentes técnicas exibiram, no melhor, um alto grau de não homogeneidade "- normalmente resultando em estruturas de fita desordenadas com apenas pequenos trechos de bordas retas aparecendo aleatoriamente. A primeira etapa essencial na detecção de estados de borda de nanofibra é o acesso a nanofitas uniformes com bordas retas, bem ordenado na escala atômica.

p Hongjie Dai, do Departamento de Química e Laboratório de Materiais Avançados da Universidade de Stanford, um membro da equipe de pesquisa, resolveu esse problema com um novo método de "descompactar" nanotubos de carbono quimicamente. O grafeno enrolado em um cilindro forma um nanotubo, e quando os nanotubos são descompactados desta forma, a fatia desce diretamente ao longo do comprimento do tubo, deixando bem ordenado, Bordas retas.

p O grafeno pode ser embrulhado em quase qualquer ângulo para fazer um nanotubo. A maneira como o nanotubo é enrolado determina o tom, ou "vetor quiral, "da borda da nanofita quando o tubo é descompactado. Um corte reto ao longo dos átomos externos de uma fileira de hexágonos produz uma borda em zigue-zague. Um corte feito em um ângulo de 30 graus a partir de uma borda em zigue-zague passa pelo meio dos hexágonos e cede bordas recortadas, conhecido como bordas de "poltrona". Entre esses dois extremos está uma variedade de vetores quirais que descrevem bordas em nanoescala, no qual, por exemplo, após alguns hexágonos, um segmento em zigue-zague é adicionado em um ângulo.

p Essas diferenças sutis na estrutura da borda foram previstas para produzir propriedades físicas mensuráveis ​​diferentes, que potencialmente podem ser explorados em novas aplicações de grafeno. Steven Louie, da UC Berkeley e do Berkeley Lab's MSD, foi o teórico da equipe de pesquisa; com a ajuda do pós-doutorado Oleg Yazyev, Louie calculou os resultados esperados, que foram então testados contra o experimento.

p Chenggang Tao, da MSD e UCB, liderou uma equipe de estudantes de graduação na realização de microscopia de tunelamento de varredura (STM) das nanofitas em um substrato de ouro, que resolvia as posições dos átomos individuais nas nanofitas de grafeno. A equipe analisou mais de 150 nanofitas de alta qualidade com diferentes quiralidades, todos mostrando uma característica inesperada, uma borda elevada regular perto de suas bordas formando uma protuberância ou chanfro. Uma vez que isso foi estabelecido como um recurso de borda real - não o artefato de uma fita dobrada ou um nanotubo achatado - a quiralidade e as propriedades eletrônicas de bordas de nanofibra bem ordenadas poderiam ser medidas com confiança, e as regiões de borda teoricamente modeladas.

p Eletrônica na ponta

p "Folhas de grafeno bidimensionais são notáveis ​​em como os elétrons se movem livremente através delas, incluindo o fato de que não há diferença de banda, "Crommie diz." As nanofitas são diferentes:os elétrons podem ficar presos em canais estreitos ao longo das bordas das nanofitas. Esses estados de borda são unidimensionais, mas os elétrons de uma borda ainda podem interagir com os elétrons da borda do outro lado, o que faz com que uma lacuna de energia se abra. "

p Usando um STM no modo de espectroscopia (STS), a equipe mediu as mudanças na densidade eletrônica conforme uma ponta do STM foi movida de uma borda de nanofibra para dentro em direção ao seu interior. Nanofitas de diferentes larguras foram examinadas dessa maneira. Os pesquisadores descobriram que os elétrons estão confinados à borda das nanofitas, e que esses elétrons de borda de nanofita exibem uma divisão pronunciada em seus níveis de energia.

p "No mundo quântico, elétrons podem ser descritos como ondas, além de serem partículas, "Crommie observa. Ele diz que uma forma de imaginar como surgem diferentes estados de borda é imaginar uma onda de elétrons que preenche o comprimento da fita e difrata os átomos perto de sua borda. Os padrões de difração se assemelham a ondas de água passando por fendas em uma barreira.

p 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, Contudo, 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.

p 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.

p 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?'"

p 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, magnético, 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."

p 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, na verdade, 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."