p Tiras estreitas de grafeno chamadas nanofitas exibem propriedades extraordinárias que as tornam candidatas importantes para futuras tecnologias nanoeletrônicas. Uma barreira para explorá-los, Contudo, é a dificuldade de controlar sua forma na escala atômica, um pré-requisito para muitas aplicações possíveis. p Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) e da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveram uma nova abordagem de precisão para sintetizar nanofitas de grafeno a partir de blocos de construção moleculares pré-concebidos. Usando este processo, os pesquisadores construíram nanofitas com propriedades aprimoradas, como dependente da posição, bandgaps sintonizáveis ​​- que são potencialmente muito úteis para circuitos eletrônicos de última geração.

p Os resultados aparecem em um artigo intitulado "Molecular bandgap engineering of bottom-up synthesized nanofibbon heterojunctions, " publicado em Nature Nanotechnology .

p "Este trabalho representa um progresso em direção ao objetivo de montar moléculas de forma controlada em quaisquer formas que quisermos, "diz Mike Crommie, cientista sênior do Berkeley Lab, professor da UC Berkeley, e um líder do estudo. "Pela primeira vez, criamos uma nanofita molecular em que a largura muda exatamente como projetamos."

p Nanoribbons passado e presente

p Anteriormente, os cientistas fizeram nanofitas com largura constante. "Isso é um bom fio ou um elemento de comutação simples, "diz Crommie, "mas não fornece muitas funcionalidades. Queríamos ver se poderíamos mudar a largura de um único nanofibra, controlar a estrutura dentro da nanofita em escala atômica para dar a ela um novo comportamento que é potencialmente útil. "

p Felix Fischer, Professor de Química da UC Berkeley que liderou o estudo, projetou os componentes moleculares para descobrir se isso seria possível. Juntos, Fischer e Crommie descobriram que moléculas de diferentes larguras podem de fato ser feitas para se ligar quimicamente de forma que a largura seja modulada ao longo do comprimento de uma única nanofita resultante.

p "Pense nas moléculas como blocos de Lego de diferentes tamanhos, "explica Fischer. Cada bloco tem uma determinada estrutura definida e quando montados eles resultam em uma forma particular para todo o nanofibra." Queremos ver se podemos entender as propriedades exóticas que surgem quando montamos essas estruturas moleculares, e para ver se podemos explorá-los para construir novos dispositivos funcionais. "

p Até agora, a síntese de nanofitas envolveu principalmente fitas de gravação de folhas 2D maiores de grafeno. O problema, de acordo com Fischer, é que falta precisão e cada nanofita resultante tem um único, estrutura ligeiramente aleatória. Outro método tem sido descompactar os nanotubos para produzir nanofitas. Isso produz bordas mais suaves do que a técnica de gravação "de cima para baixo", mas é difícil de controlar porque os nanotubos têm diferentes larguras e quiralidades.

p Uma terceira rota, descoberto por Roman Fasel dos Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais junto com seus colegas de trabalho, envolve colocar moléculas em uma superfície de metal e fundi-las quimicamente para formar nanofitas perfeitamente uniformes. Crommie e Fischer modificaram esta última abordagem e mostraram que, se as formas das moléculas constituintes são variadas, o mesmo ocorre com a forma do nanofita resultante.

p "O que fizemos de novo é mostrar que é possível criar nanofitas atomicamente precisas com forma não uniforme, alterando as formas dos blocos de construção moleculares, "diz Crommie.

p Controle de propriedades quânticas

p Os elétrons dentro das nanofitas criam padrões de ondas estacionárias na mecânica quântica que determinam as propriedades eletrônicas da nanofita, como seu "bandgap". Isso determina a energia de como os elétrons se movem através de uma nanofita, incluindo quais regiões eles se acumulam e quais regiões evitam.

p No passado, cientistas projetaram espacialmente o bandgap de dispositivos em escala mícron por meio de doping, a adição de impurezas a um material. Para as nanofitas menores, Contudo, é possível alterar o bandgap, modificando sua largura em incrementos sub-nanométricos, um processo que Crommie e Fischer apelidaram de "engenharia de lacuna molecular". Este tipo de engenharia permite que os pesquisadores ajustem as propriedades mecânicas quânticas das nanofitas para que possam ser utilizadas de forma flexível em futuros dispositivos nanoeletrônicos.

p Para testar sua engenharia de bandgap molecular, O grupo de Crommie usou microscopia de tunelamento de varredura (STM), uma técnica que pode mapear espacialmente o comportamento dos elétrons dentro de uma única nanofita. "Precisávamos saber a forma em escala atômica das nanofitas, e também precisávamos saber como os elétrons internos se adaptam a essa forma, "diz Crommie. O professor de física Steven Louie da UC Berkeley e seu aluno Ting Cao calcularam a estrutura eletrônica das nanofitas para interpretar corretamente as imagens STM. Isso" fechou o ciclo "entre o design das nanofitas, fabricação, e caracterização.

p Novas direções para novos dispositivos

p Uma questão importante neste trabalho é a melhor forma de construir dispositivos úteis a partir dessas minúsculas estruturas moleculares. Embora a equipe tenha mostrado como fabricar nanofitas de largura variável, ainda não os incorporou aos circuitos eletrônicos reais. Crommie e Fischer esperam usar este novo tipo de nanofibra para, eventualmente, criar novos elementos de dispositivo - como diodos, transistores, e LEDs - que são menores e mais potentes do que os atualmente em uso. Em última análise, eles esperam incorporar nanofitas em circuitos complexos que geram melhor desempenho do que os chips de computador de hoje. Para esse fim, eles estão colaborando com engenheiros elétricos da UC Berkeley, como Jeffrey Bokor e Sayeef Salahuddin.

p A precisão espacial necessária já existe:a equipe pode modular a largura da nanofita de 0,7 nm a 1,4 nm, criando junções onde nanofitas estreitas se fundem perfeitamente em outras mais largas. "Variar a largura por um fator de dois nos permite modular o bandgap em mais de 1eV, "diz Fischer. Para muitas aplicações, isso é suficiente para construir dispositivos úteis.

p Embora as aplicações potenciais sejam empolgantes, Crommie aponta que uma motivação central para a pesquisa é o desejo de responder a questões científicas básicas, como como as nanofitas com largura não uniforme realmente se comportam. "Decidimos responder a uma pergunta interessante, e nós respondemos, "conclui.