Sähköisiä kytkentöjä grafeeninanonauhoihin atomitasolla

Suomen Akatemian huippuyksiköiden tutkijat onnistuivat kansainvälisessä yhteistyössä luomaan yhden atomin kokoisen sähköisen kytkennän grafeeninanonauhojen ja kulta-atomien välille. Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien sekä Laskennallisen nanotieteen huippuyksiköissä työskentelevien ja Utrechtin yliopiston tutkijoiden yhteinen tutkimusryhmä osoittaa, miten grafeeninanonauhoihin voi tehdä sähköisiä kytkentöjä yksittäisten kemiallisten sidosten avulla.

Grafeeni on yhden atomin paksuinen kerros hiiliatomeja, jotka ovat järjestäytyneet kanaverkkomaiseksi hilaksi. Siitä ennustetaan mullistavaa materiaalia tulevaisuuden elektroniikkaan. Jotta grafeenista valmistetut transistorit toimisivat huoneenlämpötilassa, tarvitaan grafeenirakenteita alle kymmenen nanometrin kokoluokassa. Tällöin niissä käytettävät grafeenin nanorakenteet ovat enintään muutamien kymmenien atomien levyisiä. Transistoreihin on siis rakennettava atomitasolla tarkat sähköiset kytkennät. Tutkijaryhmä on nyt osoittanut kokeellisesti, miten kytkentöjen tekeminen onnistuu.

Nature Communications -lehdessä juuri julkaistussa artikkelissa tutkijat ratkaisevat ongelman tekemällä yksittäisillä kemiallisilla sidoksilla sähköisiä kytkentöjä grafeeninanonauhoihin.

”Atomitasolla emme voi käyttää hauenleukoja kytkemiseen. Tarkasti määriteltyjä kemiallisia sidoksia hyödyntämällä grafeenin nanorakenteiden lupaukset tulevaisuuden elektroniikalle voidaan lunastaa”, kertoo Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksen professori Peter Liljeroth.

Tutkijat yhdistivät työssään atomivoima- ja tunnelointimikroskopiaa kartoittaakseen grafeeninanonauhojen rakennetta atomitasolla. Tunnelointimikroskoopin kärjestä lähteviä jännitepulsseja voidaan käyttää sidosten muodostamiseen grafeeninauhoihin – täsmälleen tiettyjen atomien kohdalle. Jännitepulssi poistaa yhden vetyatomin grafeeninanonauhan päästä, mikä käynnistää sidoksen muodostumisen.

”Yhdistetyllä atomivoima- ja tunnelointimikroskopialla voimme tarkastella grafeenin nanorakenteita atomi atomilta, mikä on ehdoton edellytys rakenteiden sekä sidosten ja kytkentöjen sähköisten ominaisuuksien yhteistoiminnan ymmärtämiselle”, tähdentää Ingmar Swart, joka johtaa mikroskopiamittaukset tehnyttä ryhmää Utrechtin yliopistossa.

Kokeiden ja teoreettisen mallinnuksen avulla tutkijaryhmä on kehittänyt yksityiskohtaisen kuvan grafeeninanonauhojen kytkennöistä. Ryhmän tärkein havainto on se, että yksittäinen kemiallinen sidos muodostaa hyvin sähköä johtavan kytkennän grafeeninanonauhaan vaikuttamatta lainkaan nauhan yleiseen elektronirakenteeseen. Koska kytkentä ei muuta nauhan sisäisiä ominaisuuksia, ryhmä uskoo havaintonsa avaavan mahdollisuuksia grafeenin nanorakenteiden käytölle tulevaisuuden elektroniikassa.

”Atomintarkasti määritellyillä rakenteilla tehtyjen kokeiden ansiosta voimme nyt myös vertailla teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen tuloksia. On erittäin hedelmällistä päästä testaamaan uusimpia teoreettisia ideoita”, kertoo Ari Harju, projektin teoreettisen tiimin johtaja Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulussa.

Tutkimus tehtiin Aalto-yliopiston teknillisen fysiikan laitoksella ja Utrechtin yliopiston Debye Institute -tutkimuslaitoksessa. Suomen Akatemian lisäksi projektia rahoittaa Euroopan tutkimusneuvosto ERC.

Nature Communications -lehdessä julkaistu artikkeli ‘Suppression of electron-vibron coupling in graphene nanoribbons contacted via a single atom’: http://www.nature.com/ncomms/2013/130612/ncomms3023/full/ncomms3023.html  

Lähde: Aalto-yliopiston tiedote

Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »