Физики из университета Райса в новом исследовании установили, как можно сломать графеновые наноленты, чтобы получить края точно такие, какие необходимы для дальнейшего применения.

Новое исследование, проведенное физиком Борисом Якобсоном с коллегами, показало, что можно задавать свойства краев графеновых нанолент, контролируя условия, при которых происходит разделение этих нанолент.

То, как атомы выстраиваются вдоль края ленты графена, делает их металлическими или полупроводниковыми. По металлическому графену ток проходит беспрепятственно, в то время как полупроводниковый графен позволяет контролировать электроны.

Поскольку вопрос о контроле в современной электронике стоит остро, полупроводниковый графен (и полупроводниковые двухмерные материалы в целом) представляет значительный интерес для науки и промышленности.

В работе, опубликованной в издании Nanoscale, исследователи использовали сложное компьютерное моделирование, чтобы показать возможность разрыва нанолент и получения графена с зигзагообразными краями или, как их еще называют, восстановленными зигзагами.

Графен похож на проволочную сетку, в которой атомы формируют шестиугольники. Зигзагообразные края похожи на /\/\/\/\/\. Поворот шестиугольников на 30 градусов превращает зигзагообразные края в кресельные, с плоскими вершинами и соединенными по диагонали основаниями. Электронные свойства краев, как известно, изменяются от металлических до полупроводящих, в зависимости от толщины ленты.

Эпитет «восстановленный» относится к процессу, в ходе которого атомы графена перемещаются и формируют кольца из 5 и 7 атомов. Ученые подсчитали, что восстановленные зигзаги являются наиболее стабильными и обладают желаемыми свойствами для производителей.

Все это здорово, но до сих пор не известно, как их изготовить.

«Производство наноустройств на основе графена путем разрыва — звучит привлекательно, но это не имеет смысла, пока мы не знаем, как добиться нужных типов краев. Именно это нам необходимо сделать», сообщил ведущий автор, аспирант Чжи Ан Чжань.

Якобсон, Чжань и постдок Алекс Катана применили теорию функционала плотности, вычислительный метод для анализа энергетического вклада каждого атома в модели системы, чтобы понять, как термодинамические и механические силы достигнут цели. Исследование показало, что нагревание графена до 1000 градусов по Кельвину и приложение низкой, но устойчивой силы вдоль одной оси разламывает графен так, что полностью восстановленные кольца из 5–7 атомов сформируют и определят новые края.

Напротив, разрыв графена при низкой температуре и с приложением большой силы с большей вероятностью приведет к формированию обычных зигзагов.