Nanofitas de grafeno (GNRs) são tiras estreitas e longas de grafeno com larguras abaixo de 100 nm. GNRs que têm bordas suaves, um intervalo de banda considerável e mobilidade de portadora de alta carga podem ser altamente valiosos para uma ampla gama de aplicações eletrônicas e optoeletrônicas. Até agora, no entanto, os engenheiros ainda não introduziram um método para preparar esses componentes úteis em grande escala.
Pesquisadores da Universidade Jiao Tong de Xangai, da Universidade de Stanford e de outros institutos nos Estados Unidos e na China desenvolveram recentemente uma nova estratégia para criar GNRs com bordas suaves abaixo de 10 nm de largura. Este método, apresentado em um artigo publicado na Nature Electronics, é baseado no uso de nanotubos de carbono esmagados (CNTs), tubos feitos de carbono que normalmente têm diâmetros na escala nanométrica.
“A ideia por trás do nosso trabalho é que se os nanotubos de carbono (CNTs) pudessem ser espremidos em GNRs, seríamos capazes de produzir GNRs estreitos (sub-5 nm de largura) a partir de CNTs com pequenos diâmetros”, Prof. Changxin Chen e Wendy L. Mao, dois dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse ao Phys.org. “Além disso, as GNRs preparadas com esse método serão muito mais estreitas do que as obtidas pelos métodos anteriores.”
O estudo recente do Prof. Chen, Mao, do Prof. Hongjie Dai e seus colegas foi um esforço conjunto entre seus respectivos grupos de pesquisa na Shanghai Jiao Tong University e na Stanford University, com contribuições adicionais de outras instituições. Uma equipe liderada pelo Prof. Chen e Dai desenvolveu principalmente o método e os processos de tratamento térmico / de alta pressão para esmagar os CNTs em GNRs, bem como na coleta de caracterizações dos GNRs preparados, cálculos e medições de desempenho do dispositivo. O grupo de pesquisa do Prof. Wendy Mao conduziu os experimentos de célula de bigorna de diamante de alta pressão (DAC), através dos quais os CNTs foram esmagados.
Outro objetivo desta recente colaboração foi alcançar bordas atomicamente suaves em todo GNRs, formando GNRs com bordas fechadas que exibiam alta mobilidade de material e dispositivo. Para produzir GNRs longos e de largura abaixo de 10 nm com bordas fechadas atomicamente lisas, os pesquisadores esmagaram os CNTs usando o método de tratamento térmico e de alta pressão desenvolvido por Chen e sua equipe.
“Usamos um DAC para o tratamento de CNTs em alta pressão”, explicou Chen e Mao. “As amostras de CNT foram seladas em uma câmara de amostra no DAC e então comprimidas entre as pontas de duas bigornas de diamante. Para estabilizar a estrutura da amostra comprimida, conduzimos um tratamento térmico na amostra enquanto ela estava em alta pressão.”
Os GNRs criados por Chen, Mao, Dai e seus colegas têm bordas fechadas atomicamente lisas e poucos defeitos. Usando o método que eles desenvolveram, a equipe foi capaz de produzir GNRs sub-5 nm com uma largura mínima de 1,4 nm. Notavelmente, eles descobriram que um transistor de efeito de campo (FET) baseado em um GNR de borda fechada de 2,8 nm exibiu uma alta razão Ion / Ioff de> 104, mobilidade de efeito de campo de 2.443 cm2 V-1 s-1 e assim por diante condutividade do canal de estado de 7,42 mS.
“Nossa pesquisa prova que nanofitas semicondutoras de grafeno de largura abaixo de 10 nm com bordas fechadas atomicamente lisas podem ser produzidas esmagando nanotubos de carbono usando um tratamento combinado de alta pressão e térmico”, disseram Chen e Mao. “Com esta abordagem, nanofitas tão estreitas quanto 1,4 nm podem ser criadas. As nanofitas de borda aberta também foram fabricadas usando ácido nítrico como oxidante para gravar seletivamente as bordas dos nanotubos esmagados sob alta pressão.”
O estudo pode ter implicações importantes para o desenvolvimento de novos dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos. No futuro, o método desenvolvido por Chen, Mao, Dai e seus colegas poderia ser usado para produzir GNRs semicondutores longos, estreitos e de alta qualidade.
Além disso, sua estratégia de fabricação permite que os engenheiros controlem os tipos de borda de um GNR. Isso poderia ajudar a explorar mais as propriedades fundamentais e aplicações práticas dos GNRs em eletrônica e optoeletrônica. Em última análise, o método desenvolvido por Chen, Mao, Dai e seus colegas também poderia ser adaptado para também sintetizar outras nanofitas baseadas em materiais desejáveis usando nanotubos esmagados ou para achatar outros materiais de fulereno.
“Agora que demonstramos o potencial de nossa abordagem, estamos investigando maneiras de tornar as condições de síntese mais práticas e maneiras de aumentar a síntese de GNRs (por exemplo, diminuindo a pressão necessária para esmagar CNTs regulando a temperatura da amostra em o tratamento de alta pressão ou a introdução de um componente de estresse desvtórico adicional na pressão “, acrescentaram Chen e Mao. “Em nossos próximos estudos, também planejamos explorar mais características exclusivas dos GNRs de borda fechada que criamos.”
Publicado em 01/10/2021 14h55
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