Uma equipe internacional de várias instituições de cientistas sintetizou nanofitas de grafeno - tiras ultrafinas de átomos de carbono - em uma superfície de dióxido de titânio usando um método atomicamente preciso que remove uma barreira para nanoestruturas de carbono personalizadas necessárias para as ciências da informação quântica.

O grafeno é composto de camadas de carbono com um átomo de espessura, assumindo a forma ultraleve, características mecânicas condutivas e extremamente fortes. O material popularmente estudado promete transformar a eletrônica e a ciência da informação por causa de sua eletrônica altamente sintonizável, propriedades ópticas e de transporte.

Quando moldado em nanofitas, o grafeno pode ser aplicado em dispositivos em nanoescala; Contudo, a falta de precisão em escala atômica no uso de métodos sintéticos "de cima para baixo" de última geração - cortar uma folha de grafeno em tiras estreitas de átomos - impede o uso prático do grafeno.

Os pesquisadores desenvolveram uma abordagem "de baixo para cima" - construindo a nanofita de grafeno diretamente no nível atômico de uma forma que possa ser usada em aplicações específicas, que foi concebido e realizado no Center for Nanophase Materials Sciences, ou CNMS, localizado no Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia.

Este método de precisão absoluta ajudou a reter as propriedades valorizadas das monocamadas de grafeno conforme os segmentos de grafeno se tornavam cada vez menores. A diferença de largura de apenas um ou dois átomos pode alterar drasticamente as propriedades do sistema, transformando uma fita semicondutora em uma fita metálica. Os resultados da equipe foram descritos em Ciência .

Marek Kolmer do ORNL, An-Ping Li e Wonhee Ko, do grupo Scanning Tunneling Microscopy do CNMS, colaboraram no projeto com pesquisadores da Espeem, uma empresa privada de pesquisa, e várias instituições europeias:Friedrich Alexander University Erlangen-Nuremberg, Jagiellonian University e Martin Luther University Halle-Wittenberg.

A experiência única do ORNL em microscopia de varredura por tunelamento foi crítica para o sucesso da equipe, tanto na manipulação do material precursor quanto na verificação dos resultados.

"Esses microscópios permitem que você crie imagens e manipule a matéria diretamente em escala atômica, "Kolmer, um pós-doutorado e o principal autor do artigo, disse. "A ponta da agulha é tão fina que tem essencialmente o tamanho de um único átomo. O microscópio está se movendo linha por linha e medindo constantemente a interação entre a agulha e a superfície e renderizando um mapa atomicamente preciso da estrutura da superfície."

Em experimentos anteriores de nanofita de grafeno, o material foi sintetizado em um substrato metálico, que suprime inevitavelmente as propriedades eletrônicas das nanofitas.

"Fazer com que as propriedades eletrônicas dessas fitas funcionem conforme o planejado é a história toda. Do ponto de vista da aplicação, usar um substrato de metal não é útil porque filtra as propriedades, "Kolmer disse." É um grande desafio neste campo - como podemos desacoplar efetivamente a rede de moléculas para transferir para um transistor? "

A abordagem de desacoplamento atual envolve a remoção do sistema das condições de ultra-alto vácuo e submetê-lo a um processo de química úmida de várias etapas, o que requer o ataque químico para remover o substrato de metal. Este processo contradiz o cuidado, precisão limpa usada na criação do sistema.

Para encontrar um processo que funcione em um substrato não metálico, Kolmer começou a fazer experiências com superfícies de óxido, imitando as estratégias usadas no metal. Eventualmente, ele procurou um grupo de químicos europeus que se especializaram em química de fluoroareno e começou a se concentrar em um projeto para um precursor químico que permitiria a síntese diretamente na superfície do dióxido de titânio rutilo.

"A síntese na superfície nos permite fazer materiais com altíssima precisão e, para isso, começamos com precursores moleculares, "Li, um autor sênior do artigo que liderou a equipe do CNMS, disse. "As reações de que precisávamos para obter certas propriedades são essencialmente programadas no precursor. Sabemos a temperatura na qual uma reação ocorrerá e, ajustando as temperaturas, podemos controlar a sequência de reações."

"Outra vantagem da síntese na superfície é o amplo pool de materiais candidatos que podem ser usados ​​como precursores, permitindo um alto nível de programação, "Li acrescentou.

A aplicação precisa de produtos químicos para desacoplar o sistema também ajudou a manter uma estrutura de casca aberta, permitindo aos pesquisadores acesso em nível de átomo para construir e estudar moléculas com propriedades quânticas exclusivas. "Foi particularmente gratificante descobrir que essas fitas de grafeno têm estados magnéticos acoplados, também chamados de estados de spin quântico, em suas extremidades, "Li disse." Esses estados nos fornecem uma plataforma para estudar as interações magnéticas, com a esperança de criar qubits para aplicações na ciência da informação quântica. "Como há pouca perturbação nas interações magnéticas em materiais moleculares baseados em carbono, este método permite a programação de estados magnéticos de longa duração de dentro do material.

A abordagem deles cria uma fita de alta precisão, desacoplado do substrato, o que é desejável para aplicações em ciência da informação spintrônica e quântica. O sistema resultante é ideal para ser explorado e construído posteriormente, possivelmente como um transistor em nanoescala, pois tem um amplo intervalo de banda, através do espaço entre os estados eletrônicos que é necessário para transmitir um sinal liga / desliga.