Image de microscopie à effet tunnel d’un nanoruban de graphène en zigzag. Crédit : Felix Fischer/Berkeley Lab
Technique s’adapte au potentiel électronique des nanorubans de graphène
Depuis graphène – une fine feuille de carbone juste un-atome épais – a été découvert il y a plus de 15 ans, le matériau merveilleux est devenu un cheval de bataille dans la recherche en science des matériaux. À partir de cet ensemble de travaux, d’autres chercheurs ont appris que le découpage du graphène le long du bord de son réseau en nid d’abeille crée des bandes de graphène en zigzag unidimensionnelles ou des nanorubans aux propriétés magnétiques exotiques.
De nombreux chercheurs ont cherché à exploiter le comportement magnétique inhabituel des nanorubans dans des dispositifs de spintronique à base de carbone qui permettent des technologies de stockage de données et de traitement de l’information à grande vitesse et à faible consommation en codant les données par spin électronique au lieu de charge. Mais parce que les nanorubans en zigzag sont très réactifs, les chercheurs se sont demandé comment observer et canaliser leurs propriétés exotiques dans un appareil du monde réel.
Maintenant, comme le rapporte le journal La nature, des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l’UC Berkeley ont développé une méthode pour stabiliser les bords des nanorubans de graphène et mesurer directement leurs propriétés magnétiques uniques.
L’ordre magnétique local le long des états de bord en zigzag (flèches rouges et bleues) dans les nanorubans de graphène dopé à l’azote induit une division de l’énergie des électrons de l’atome d’azote. Crédit : Felix Fischer/Berkeley Lab
L’équipe codirigée par Felix Fischer et Steven Louie, tous deux scientifiques de la faculté de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, a découvert qu’en remplaçant certains des atomes de carbone le long des bords en zigzag du ruban par des atomes d’azote, ils pouvaient ajuster discrètement la structure électronique locale sans perturber les propriétés magnétiques. Ce changement structurel subtil a permis en outre le développement d’une technique de microscopie à sonde à balayage pour mesurer le magnétisme local du matériau à l’échelle atomique.
“Les tentatives antérieures pour stabiliser le bord en zigzag ont inévitablement modifié la structure électronique du bord lui-même”, a déclaré Louie, qui est également professeur de physique à l’UC Berkeley. “Ce dilemme a condamné les efforts pour accéder à leur structure magnétique avec des techniques expérimentales, et jusqu’à présent reléguait leur exploration aux modèles informatiques”, a-t-il ajouté.
Guidés par des modèles théoriques, Fischer et Louie ont conçu un bloc de construction moléculaire sur mesure comportant un arrangement d’atomes de carbone et d’azote qui peut être mappé sur la structure précise des nanorubans de graphène en zigzag souhaités.
Pour construire les nanorubans, les petits blocs de construction moléculaires sont d’abord déposés sur une surface métallique plate, ou substrat. Ensuite, la surface est doucement chauffée, activant deux poignées chimiques à chaque extrémité de chaque molécule. Cette étape d’activation brise une liaison chimique et laisse derrière elle une « extrémité collante » hautement réactive.
Chaque fois que deux « extrémités collantes » se rencontrent pendant que les molécules activées s’étalent à la surface, les molécules se combinent pour former de nouvelles liaisons carbone-carbone. Finalement, le processus construit des chaînes en marguerite 1D de blocs de construction moléculaires. Enfin, une deuxième étape de chauffage réorganise les liaisons internes de la chaîne pour former un nanoruban de graphène comportant deux bords en zigzag parallèles.
“L’avantage unique de cette technologie moléculaire ascendante est que toute caractéristique structurelle du ruban de graphène, telle que la position exacte des atomes d’azote, peut être codée dans le bloc de construction moléculaire”, a déclaré Raymond Blackwell, un étudiant diplômé du Fischer group et co-auteur principal de l’article avec Fangzhou Zhao, un étudiant diplômé du groupe Louie.
Le défi suivant était de mesurer les propriétés des nanorubans.
“Nous avons rapidement réalisé que, pour non seulement mesurer mais réellement quantifier le champ magnétique induit par les états de bord du nanoruban polarisé en spin, nous devions résoudre deux problèmes supplémentaires”, a déclaré Fischer, qui est également professeur de chimie à l’UC Berkeley.
Tout d’abord, l’équipe devait trouver comment séparer la structure électronique du ruban de son substrat. Fischer a résolu le problème en utilisant une pointe de microscope à effet tunnel pour rompre de manière irréversible le lien entre le nanoruban de graphène et le métal sous-jacent.
Le deuxième défi était de développer une nouvelle technique pour mesurer directement un champ magnétique à l’échelle nanométrique. Heureusement, les chercheurs ont découvert que les atomes d’azote substitués dans la structure des nanorubans agissaient en fait comme des capteurs à l’échelle atomique.
Des mesures aux positions des atomes d’azote ont révélé les caractéristiques d’un champ magnétique local le long du bord en zigzag.
Les calculs effectués par Louie à l’aide des ressources informatiques du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) ont donné des prédictions quantitatives des interactions qui découlent des états de bord polarisés en spin des rubans. Les mesures microscopiques des signatures précises des interactions magnétiques correspondaient à ces prédictions et confirmaient leurs propriétés quantiques.
« Explorer et finalement développer les outils expérimentaux qui permettent une ingénierie rationnelle de ces bords magnétiques exotiques ouvre la porte à des opportunités sans précédent de la spintronique à base de carbone », a déclaré Fischer, se référant aux dispositifs nano-électroniques de nouvelle génération qui reposent sur les propriétés intrinsèques des électrons. Les travaux futurs consisteront à explorer les phénomènes associés à ces propriétés dans des architectures de graphène en zigzag conçues sur mesure.
Référence : “Spin splitting of dopant edge state in magnet zigzag graphene nanoribbons” par Raymond E. Blackwell, Fangzhou Zhao, Erin Brooks, Junmian Zhu, Ilya Piskun, Shenkai Wang, Aidan Delgado, Yea-Lee Lee, Steven G. Louie et Felix R. Fischer, 22 décembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04201-y
Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Science. Le NERSC est une installation utilisateur du DOE Office of Science située au Berkeley Lab.
