Le nuove tecniche Tunes nel potenziale elettronico del Grafene Nanoribbons’ potrebbero portare ad una memorizzazione dati ad alta velocità a bassa potenza
Dal momento che il grafene - un foglio di carbonio sottile - è stato scoperto più di 15 anni fa, questo materiale ha assunto una rilevante importanza nell'ambito della ricerca scientifica degli elementi. Da questo ambito di lavoro, altri ricercatori hanno appreso che tagliare il grafene lungo il bordo del suo reticolo a nido d'ape si possono ottenere il zigzag graphene o nanostrisce di grafene (nanoribbons’) con proprietà magnetiche.
Molti ricercatori hanno cercato di sfruttare l'insolito comportamento magnetico delle nanostrisce di grafene in dispositivi di spintronics basati sul carbonio che abilitano tecnologie di archiviazione dei dati ad alta velocità e bassa potenza e tecnologie di elaborazione delle informazioni mediante codificazione dei dati tramite la rotazione elettronica anziché carica. Ma poiché il zigzag graphene è altamente reattivo, i ricercatori si sono concentrati nell'osservazione e nella canalizzazione delle sue proprietà esotiche in un dispositivo del mondo reale (real-world device).
Ora, come riportato nel Journal Nature, (1) gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e dell'University of California Berkeley (UC Berkeley) hanno sviluppato un metodo per stabilizzare i bordi del grafene nanoribbons (nanostrisce di grafene) e misurare direttamente le loro esclusive proprietà magnetiche.
Il team co-guidato dal dottor Felix Fischer (2) e dal dottor Steven Louie, (3) entrambi scienziati presso il Berkeley Lab’s Materials Sciences Division, (4) hanno scoperto che sostituendo alcuni degli atomi di carbonio lungo i bordi dello zigzag del nastro con atomi di azoto, potrebbero sintonizzarsi in modo discreto con la struttura elettronica locale senza interrompere le proprietà magnetiche. Questo sottile cambiamento strutturale ha migliorato ulteriormente lo sviluppo di una tecnica di microscopia con sonda di scansione per misurare il magnetismo locale del materiale alla scala atomica.
«I tentativi precedenti di stabilizzare il bordo a zigzag ha alterato inevitabilmente la struttura elettronica del bordo stesso», ha detto il dottor Steven Louie, che è anche un professore di fisica presso l'UC Berkeley. «Questo dilemma ci ha procurato molte difficoltà per accedere alla loro struttura magnetica con tecniche sperimentali e fino ad ora relegate all'esplorazione ai modelli computazionali», ha aggiunto.
Guidati da modelli teorici, Fischer e Louie hanno progettato un blocco molecolare su misura con un accordo di atomi di carbonio e azoto che possono essere mappati sulla struttura precisa dei zigzag graphene o nanostrisce di grafene (nanoribbons’) desiderati.
Per costruire le nanostrisce di grafene (nanoribbons’), i piccoli blocchi di costruzione molecolari vengono depositati per la prima volta su una superficie metallica piatta, o substrato. Successivamente, la superficie è delicatamente riscaldata, attivando due maniglie chimiche su entrambe le estremità di ciascuna molecola. Questa fase di attivazione rompe un legame chimico e lascia dietro una estremità appiccicosa altamente reattiva.
Ogni volta che si incontrano due “sticky ends” mentre le molecole attivate si sono diffuse sulla superficie, le molecole si combinano per formare nuove obbligazioni in carbon-carbon. Alla fine, il processo 1D costruisce una catena a margherita di blocchi di costruzione molecolari. Infine, un secondo passo di riscaldamento riorganizza i legami interni della catena per formare una nanostriscia di grafene con due bordi paralleli a zigzag.
«L'esclusivo vantaggio di questa tecnologia molecolare dal basso verso l'alto è che qualsiasi caratteristica strutturale del nastro grafene, come la posizione esatta degli atomi di azoto, può essere codificata nel blocco molecolare», ha detto Raymond Blackwell, uno studente graduato nel Fischer group (5) e coautore della ricerca insieme a Fangzhou Zhao, uno studente laureato nel Louie group. (6)
La prossima sfida era misurare le proprietà dei nanoribbons’.
«Abbiamo rapidamente capito che per, non solo misurare, ma in realtà quantificare il campo magnetico indotto dagli stati del bordo del nanoribbon polarizzato a rotazione, dovremmo affrontare due problemi aggiuntivi», ha detto il dottor Felix R. Fischer, che è anche un professore di chimica presso l'UC Berkeley.
Innanzitutto, la squadra aveva bisogno di capire come separare la struttura elettronica del nastro dal suo substrato. Fischer ha risolto il problema utilizzando una punta del microscopio a tunneling di scansione per interrompere irreversibilmente il collegamento tra il grafene nanoribbon e il metallo sottostante.
La seconda sfida era di sviluppare una nuova tecnica per misurare direttamente un campo magnetico su scala nanometrica. Fortunatamente, i ricercatori hanno scoperto che gli atomi di azoto sostituiti nella struttura dei nanoribbons’ hanno effettivamente agito come sensori su scala atomica.
Le misurazioni nelle posizioni degli atomi di azoto hanno rivelato le caratteristiche di un campo magnetico locale lungo il bordo a zigzag.
I calcoli eseguiti dal dottor Louie, che ha utilizzato i mezzi del National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), (7) hanno prodotto previsioni quantitative delle interazioni derivanti dagli stati di bordo polarizzati a rotazione dei nastri. Le misurazioni della microscopia delle firme precise delle interazioni magnetiche corrispondono a tali previsioni e hanno confermato le loro proprietà quantistiche.
«Esplorare e in definitiva lo sviluppo degli strumenti sperimentali che consentono l'ingegneria razionale di questi bordi magnetici esotici apre la porta a delle opportunità senza precedenti di carbon-based spintronics», ha affermato Fischer, riferendosi ai dispositivi nano-elettronici di prossima generazione che si basano su proprietà intrinseche degli elettroni. Il lavoro futuro comporterà nel esplorare fenomeni associati a queste proprietà nelle architetture di grafene a Zigzag progettate su misura.
Questa ricerca è stata sostenuta dal DOE Office of Science. La NERSC è un'impianto di utenti della Scienza della DOE situata a Berkeley Lab.
Fondato nel 1931 sulla convinzione che le più grandi sfide scientifiche sono meglio affrontate dai team, il Lawrence Berkeley National Laboratory e i suoi scienziati sono stati riconosciuti con 13 premi Nobel. Oggi, i ricercatori di Berkeley Lab sviluppano soluzioni energetiche e ambientali sostenibili, creano nuovi materiali nuovi, avanzano le frontiere del calcolo e sondano i misteri della vita, la materia e l'universo. Gli scienziati di tutto il mondo si affidano alle strutture del laboratorio per la propria scoperta. Berkeley Lab è un laboratorio nazionale multiprogramma, gestito dall'Università della California per l'U.S. Department of Energy’s Office of Science. (8)L'ufficio della scienza della Doe (DOE’s Office of Science) è il singolo sostenitore più grande della ricerca di base nelle scienze fisiche degli Stati Uniti, e sta lavorando per affrontare alcune delle sfide più pressanti del nostro tempo. (9)
Riferimenti:
(1) Spin splitting of dopant edge state in magnetic zigzag graphene nanoribbons
(2) Felix R. Fischer
(3) Steven Louie
(4) Berkeley Lab’s Materials Sciences Division
(5) Fischer group
(6) Louie group
(7) National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC)
(8) Lawrence Berkeley National Laboratory
Descrizione foto: Scansione dell'immagine della microscopia del tunneling di un zigzag graphene nanoribbon. - Credit: Felix Fischer/Berkeley Lab.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Technique Tunes Into Graphene Nanoribbons’ Electronic Potential