Bước đột phá của Graphene Nanoribbon có thể dẫn đến việc lưu trữ dữ liệu ở cấp độ nano công suất thấp, tốc độ cao

Kỹ thuật điều chỉnh vào tiềm năng điện tử của Graphene Nanoribbons

Kể từ khi graphene – một tấm carbon mỏng chỉ dày một nguyên tử – được phát hiện cách đây hơn 15 năm, vật liệu kỳ diệu đã trở thành một con ngựa sắt trong nghiên cứu khoa học vật liệu. Từ kết quả nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu khác đã học được rằng việc cắt graphene dọc theo mép của mạng tổ ong của nó sẽ tạo ra các dải graphene ngoằn ngoèo một chiều hoặc các dải nano có các đặc tính từ tính kỳ lạ.

Nhiều nhà nghiên cứu đã tìm cách khai thác hành vi từ tính bất thường của các băng nano vào các thiết bị spintronics, dựa trên carbon cho phép công nghệ xử lý thông tin và lưu trữ dữ liệu tốc độ cao, năng lượng thấp bằng cách mã hóa dữ liệu thông qua spin điện tử thay vì tích điện. Nhưng vì các băng nano ngoằn ngoèo có tính phản ứng cao, các nhà nghiên cứu đã phải vật lộn với cách quan sát và chuyển các đặc tính kỳ lạ của chúng vào một thiết bị trong thế giới thực.

Theo báo cáo trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) và Đại học UC Berkeley đã phát triển một phương pháp để ổn định các cạnh của các băng nano graphene và đo trực tiếp các đặc tính từ tính độc đáo của chúng.

Nhóm do Felix Fischer và Steven Louie đồng dẫn đầu, cả hai nhà khoa học thuộc Khoa Khoa học Vật liệu của Phòng thí nghiệm Berkeley, đã phát hiện ra rằng bằng cách thay thế một số nguyên tử cacbon dọc theo các cạnh ngoằn ngoèo của dải băng bằng các nguyên tử nitơ, họ có thể tùy ý điều chỉnh cấu trúc điện tử cục bộ mà không làm gián đoạn các tính chất từ. Sự thay đổi cấu trúc tinh tế này tiếp tục cho phép sự phát triển của kỹ thuật hiển vi đầu dò quét để đo từ tính cục bộ của vật liệu ở quy mô nguyên tử.

Louie, giáo sư vật lý tại UC Berkeley, cho biết: “Những nỗ lực trước đây để ổn định cạnh ngoằn ngoèo chắc chắn đã làm thay đổi cấu trúc điện tử của chính cạnh đó. Ông nói thêm: “Tình thế tiến thoái lưỡng nan này đã khiến những nỗ lực tiếp cận cấu trúc từ trường của chúng bằng các kỹ thuật thử nghiệm phải hủy bỏ, và cho đến bây giờ đã khiến việc khám phá của chúng chuyển sang các mô hình tính toán,” ông nói thêm.

Được hướng dẫn bởi các mô hình lý thuyết, Fischer và Louie đã thiết kế một khối xây dựng phân tử tùy chỉnh có sự sắp xếp của các nguyên tử cacbon và nitơ có thể được ánh xạ vào cấu trúc chính xác của các băng nano graphene ngoằn ngoèo mong muốn.

Để xây dựng các nanoribbon, các khối cấu tạo phân tử nhỏ trước tiên được lắng đọng trên một bề mặt kim loại phẳng hoặc chất nền. Tiếp theo, bề mặt được làm nóng nhẹ nhàng, kích hoạt hai tay cầm hóa học ở hai đầu của mỗi phân tử. Bước kích hoạt này phá vỡ liên kết hóa học và để lại một “kết thúc dính” có tính phản ứng cao.

Mỗi khi hai “đầu dính” gặp nhau trong khi các phân tử hoạt hóa trải rộng trên bề mặt, các phân tử sẽ kết hợp với nhau để tạo thành liên kết cacbon-cacbon mới. Cuối cùng, quá trình này xây dựng chuỗi 1D của các khối xây dựng phân tử. Cuối cùng, bước gia nhiệt thứ hai sắp xếp lại các liên kết bên trong của chuỗi để tạo thành một băng nano graphene có hai cạnh ngoằn ngoèo song song.

Raymond Blackwell, một nghiên cứu sinh về Nhóm Fischer và đồng tác giả chính trên bài báo cùng với Fangzhou Zhao, một nghiên cứu sinh trong nhóm Louie.

Thử thách tiếp theo là đo tính chất của các băng nano.

Fischer, giáo sư hóa học tại UC Berkeley, cho biết: “Chúng tôi nhanh chóng nhận ra rằng, để không chỉ đo mà còn thực sự định lượng từ trường gây ra bởi các trạng thái cạnh nanoribbon phân cực spin, chúng tôi sẽ phải giải quyết hai vấn đề bổ sung.

Đầu tiên, nhóm nghiên cứu cần tìm ra cách tách cấu trúc điện tử của dải băng ra khỏi chất nền của nó. Fischer đã giải quyết vấn đề bằng cách sử dụng đầu kính hiển vi quét đường hầm để phá vỡ liên kết giữa cacbon nano graphene và kim loại bên dưới một cách không thể đảo ngược.

Thách thức thứ hai là phát triển một kỹ thuật mới để đo trực tiếp từ trường ở quy mô nanomet. May mắn thay, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các nguyên tử nitơ được thay thế trong cấu trúc của các băng nano thực sự hoạt động như các cảm biến quy mô nguyên tử.

Các phép đo tại vị trí của các nguyên tử nitơ cho thấy các tính năng đặc trưng của từ trường cục bộ dọc theo cạnh ngoằn ngoèo.

Các phép tính do Louie thực hiện bằng cách sử dụng tài nguyên máy tính tại Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia (NERSC) đã đưa ra các dự đoán định lượng về các tương tác nảy sinh từ các trạng thái cạnh phân cực spin của các dải băng. Các phép đo bằng kính hiển vi về các dấu hiệu chính xác của các tương tác từ phù hợp với những dự đoán đó và xác nhận các đặc tính lượng tử của chúng.

Fischer cho biết: “Việc khám phá và cuối cùng là phát triển các công cụ thí nghiệm cho phép thiết kế hợp lý các cạnh từ trường kỳ lạ này sẽ mở ra cánh cửa cho những cơ hội chưa từng có của spintronics dựa trên carbon,” Fischer đề cập đến các thiết bị điện tử nano thế hệ tiếp theo dựa trên các đặc tính nội tại của electron. Công việc trong tương lai sẽ liên quan đến việc khám phá các hiện tượng liên quan đến các đặc tính này trong các kiến trúc graphene ngoằn ngoèo được thiết kế riêng.

Tham khảo: “Sự tách quay của trạng thái cạnh dopant trong các băng nano graphene ngoằn ngoèo từ tính” của Raymond E. Blackwell, Fangzhou Zhao, Erin Brooks, Junmian Zhu, Ilya Piskun, Shenkai Wang, Aidan Delgado, Yea-Lee Lee, Steven G. Louie và Felix R. Fischer, ngày 22 tháng 12 năm 2021, Nature .
DOI: 10.1038 / s41586-021-04201-y

Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Văn phòng Khoa học DOE. NERSC là một cơ sở sử dụng của Văn phòng Khoa học DOE đặt tại Phòng thí nghiệm Berkeley.

Theo Scitechdaily