Tecnologia Científica

Defeitos de 'mordida' revelados em nanofitas de grafeno de baixo para cima
As nanofitas de grafeno (GNRs), tiras estreitas de grafeno de camada única, têm propriedades físicas, elétricas, térmicas e ópticas interessantes devido à interação entre suas estruturas cristalinas e eletrônicas.
Por Carey Sargent - 18/05/2021


Painel esquerdo: imagem STM de nanofitas de grafeno em zigue-zague de baixo para cima. Painel direito: densidade de spin nas proximidades de um defeito de "mordida" em uma nanofita de grafeno em zigue-zague. Crédito: Michele Pizzochero

As nanofitas de grafeno (GNRs), tiras estreitas de grafeno de camada única, têm propriedades físicas, elétricas, térmicas e ópticas interessantes devido à interação entre suas estruturas cristalinas e eletrônicas. Essas novas características os colocaram na vanguarda na busca por maneiras de fazer avançar as nanotecnologias de próxima geração.

Enquanto as técnicas de fabricação de baixo para cima agora permitem a síntese de uma ampla gama de nanofitas de grafeno que apresentam geometrias de borda bem definidas, larguras e incorporações de heteroátomo, a questão de saber se a desordem estrutural está ou não presente nessas GNRs atomicamente precisas, e para quê medida, ainda está sujeito a debate. A resposta a este enigma é de importância crítica para quaisquer aplicações potenciais ou dispositivos resultantes.

A colaboração entre o grupo de teoria de Física da Matéria Condensada Computacional de Oleg Yazyev na EPFL e o Laboratório de nanotecnologia @ superfícies experimentais de Roman Fasel na Empa produziu dois artigos que abordam esse problema em nanofitas de grafeno com bordas de poltrona e bordas em ziguezague.

"As imperfeições são conhecidas por desempenhar um papel importante na formação de uma série de funcionalidades em cristais", disse Michele Pizzochero, ex-Ph.D. estudante do laboratório de Oleg Yazyev na EPFL e agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Harvard. "Nesses artigos, revelamos defeitos de 'mordida' onipresentes, ou seja, grupos ausentes de átomos de carbono, como o principal tipo de desordem estrutural em nanofitas de grafeno fabricadas por síntese na superfície. Embora tenhamos descoberto que os defeitos de mordida degradam o desempenho de dispositivos eletrônicos com base em nanofitas de grafeno, em alguns casos essas imperfeições podem oferecer oportunidades interessantes para aplicações spintrônicas, graças às suas propriedades magnéticas peculiares. "

Poltrona nanofitas de grafeno

O artigo "Transporte eletrônico quântico através de defeitos de mordida em nanofitas de grafeno", publicado recentemente na 2D Materials , analisa especificamente nanofitas de grafeno de poltrona de 9 átomos (9-AGNRs). A robustez mecânica, estabilidade de longo prazo em condições ambientais, fácil transferência para substratos alvo, escalabilidade de fabricação e largura de banda adequada desses GNRs os tornou um dos candidatos mais promissores para integração como canais ativos em transistores de efeito de campo (FETs). De fato, entre os dispositivos eletrônicos baseados em grafeno realizados até agora, os 9-AGNR-FETs exibem o melhor desempenho.
 
Embora o papel prejudicial dos defeitos em dispositivos eletrônicos seja bem conhecido, as barreiras de Schottky, barreiras de energia potencial para elétrons formados em junções metal-semicondutoras, limitam o desempenho dos GNR-FETs atuais e evitam a caracterização experimental do impacto dos defeitos no desempenho do dispositivo. No artigo 2D Materials , os pesquisadores combinam abordagens experimentais e teóricas para investigar defeitos em AGNRs de baixo para cima.

As microscopias de tunelamento de varredura e de força atômica primeiro permitiram aos pesquisadores identificar os anéis de benzeno ausentes nas bordas como um defeito muito comum no 9-AGNR e estimar a densidade e a distribuição espacial dessas imperfeições, que eles apelidaram de defeitos de "mordida". . Eles quantificaram a densidade e descobriram que eles têm uma forte tendência para se agregar. Os pesquisadores então usaram cálculos de primeiros princípios para explorar o efeito de tais defeitos no transporte de carga quântica, descobrindo que essas imperfeições o interrompem significativamente nas bordas da banda, reduzindo a condutância.

Essas descobertas teóricas são então generalizadas para nanofitas mais largas de uma maneira sistemática, permitindo aos pesquisadores estabelecer diretrizes práticas para minimizar o papel prejudicial desses defeitos no transporte de carga, um passo instrumental para a realização de novos dispositivos eletrônicos baseados em carbono.

Nanofitas de grafeno em ziguezague

No artigo "Desordem de borda em nanofitas de grafeno em zigue-zague de baixo para cima: implicações para o magnetismo e o transporte eletrônico quântico", publicado recentemente no The Journal of Physical Chemistry Letters , a mesma equipe de pesquisadores combina experimentos de microscopia de sonda de varredura e cálculos de primeiros princípios para examinar desordem estrutural e seu efeito no magnetismo e no transporte eletrônico nas chamadas GNRs em zigue-zague de baixo para cima (ZGNRs).

Os ZGNRs são únicos por causa de sua ordem magnética livre de metal não convencional que, de acordo com as previsões, é preservada até a temperatura ambiente. Eles possuem momentos magnéticos que são acoplados ferromagneticamente ao longo da borda e antiferromagneticamente através dela e foi mostrado que as estruturas eletrônicas e magnéticas podem ser moduladas em grande medida, por exemplo, dopagem de carga, campos elétricos, deformações de rede ou engenharia de defeitos . A combinação de correlações magnéticas sintonizáveis, largura de banda considerável e interações spin-órbita fracas tornaram esses GNRs candidatos promissores para operações lógicas de spin. O estudo analisa especificamente nanofitas de grafeno de seis linhas em zigue-zague de carbono (6-ZGNRs), a única largura de ZGNRs que foi alcançada com uma abordagem de baixo para cima até agora.

Novamente usando microscopias de tunelamento de varredura e de força atômica, os pesquisadores primeiro identificam a presença de defeitos de vacância de carbono onipresentes localizados nas bordas das nanofitas e, em seguida, resolvem sua estrutura atômica. Seus resultados indicam que cada vacância compreende uma unidade de m-xileno ausente, ou seja, outro defeito de "mordida", que, como nos AGNRs, é proveniente da cisão da ligação CC que ocorre durante o processo de ciclo de hidrogenação da reação. Os pesquisadores estimam que a densidade dos defeitos de "mordida" nos 6-ZGNRs é maior do que a dos defeitos equivalentes nos AGNRs de baixo para cima.

O efeito desses defeitos de mordida na estrutura eletrônica e nas propriedades de transporte quântico de 6-ZGNRs é novamente examinado teoricamente. Eles descobrem que a introdução do defeito , da mesma forma que os AGNRs, causa uma interrupção significativa da condutância. Além disso, nessa nanoestrutura, esses defeitos não intencionais induzem o desequilíbrio da sub-rede e do spin, causando um momento magnético local. Isso, por sua vez, dá origem ao transporte de carga polarizada por spin que torna as nanofitas em zigue-zague defeituosas idealmente adequadas para aplicações em spintrônica lógica totalmente em carbono no limite máximo de escalabilidade.

Uma comparação entre ZGNRs e AGNRs de igual largura mostra que o transporte através do primeiro é menos sensível à introdução de defeitos únicos e múltiplos do que no último. No geral, a pesquisa fornece uma imagem global do impacto desses defeitos de "mordida" onipresentes na estrutura eletrônica de baixa energia das nanofitas de grafeno de baixo para cima . Pesquisas futuras podem se concentrar na investigação de outros tipos de defeitos pontuais observados experimentalmente nas bordas dessas nanofitas, disseram os pesquisadores.

 

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