Utilizzando un semplice metodo chimico, i ricercatori sono riusciti per la prima volta a far crescere nastri di grafene larghi pochi nanometri su superfici appositamente preparate. I nastri di grafene sono considerati candidati molto promettenti per le applicazioni elettroniche perché è possibile variare le loro proprietà in base alla loro larghezza e alla forma dei loro bordi.
I transistor di grafene sono visti come possibili successori dei transistor di silicio attualmente in uso. Costituito da strati bidimensionali di carbonio, il grafene ha una serie di proprietà straordinarie: non solo è più duro del diamante, estremamente resistente alla trazione e impermeabile ai gas, ma è anche un eccellente conduttore elettrico e termico. Tuttavia, poiché il grafene è un semi-metallo, a differenza del silicio non ha band gap e quindi non ha la funzione di commutazione, che è LA condizione essenziale per le applicazioni elettroniche. I ricercatori hanno ora sviluppato un nuovo processo per produrre nastri di grafene con un band gap.
Nastri estremamente stretti di grafene
Finora, per ottenere nastri di grafene, gli strati di grafene venivano "tagliati" più o meno come si tagliano le tagliatelle da una pasta arrotolata. Oppure i nanotubi di carbonio venivano srotolati dopo essere stati tagliati nel senso della lunghezza. Il risultato è un gap di banda quantistica, una regione di energia in cui non si trovano elettroni e che determina proprietà fisiche come la commutabilità. La larghezza e la forma dei bordi del nastro determinano la dimensione del band gap e quindi influenzano le caratteristiche dei componenti costruiti con esso.
I ricercatori hanno pensato che se fosse possibile produrre nastri di grafene estremamente stretti - ben al di sotto dei dieci nanometri - e comunque con bordi ben definiti, sarebbe possibile utilizzarli per produrre componenti con qualsiasi caratteristica ottica ed elettronica. Sarebbe infatti possibile variare l’ampiezza del bandgap dei nastri, e quindi le caratteristiche di commutazione dei transistor risultanti, a seconda delle esigenze. Si tratta però di un’attività molto complessa, perché i metodi litografici utilizzati finora per tagliare i fogli di grafene, ad esempio, si sono scontrati con i loro limiti fondamentali: fornivano solo nastri troppo larghi e con bordi diffusi.
Nastri di grafene in crescita
I ricercatori descrivono un metodo semplice che utilizza la chimica di superficie per produrre nastri di grafene di tale larghezza senza alcun taglio - dal basso verso l’alto, a partire da molecole isolate. Per farlo, depositano sotto vuoto spinto speciali monomeri su superfici d’oro o d’argento, sostituiti in posizioni "strategicamente" importanti da alogeni che polimerizzano nel primo stadio per formare catene polifenileniche.
In una seconda fase, una reazione innescata da un maggiore riscaldamento provoca la rimozione degli atomi di idrogeno e l’accoppiamento delle catene polimeriche in un sistema aromatico simile al grafene. I nastri di grafene risultanti sono spessi un atomo, larghi un nanometro e lunghi fino a 50 nanometri. Questi nastri di grafene sono così stretti da avere un band gap e quindi, come il silicio, hanno proprietà di commutabilità - un primo passo importante verso la transizione dalla microelettronica basata sul silicio alla nanoelettronica basata sul grafene. Ma ancora meglio: a seconda dei monomeri utilizzati, i nastri di grafene si formano con strutture diverse, dritte o a zig-zag.
Altre prospettive interessanti
Poiché i ricercatori sono ora in grado di produrre strisce di grafene (quasi) come richiesto, nella fase successiva intendono studiare come le diverse forme dei bordi dei nastri influenzino le loro proprietà magnetiche. Il loro metodo di chimica di superficie apre ulteriori interessanti prospettive per il drogaggio mirato delle strisce di grafene: l’uso di monomeri con atomi di azoto o boro in posizioni precisamente definite, o di monomeri con gruppi funzionali aggiuntivi, dovrebbe rendere possibile la produzione di strisce di grafene drogate positivamente o negativamente. Anche la combinazione di monomeri diversi è possibile e potrebbe permettere di creare etero-giunzioni - ovvero giunzioni tra nastri di grafene con gap di banda diversi - che potrebbero essere utilizzate in celle solari o componenti elettronici ad alta frequenza. Il metodo sviluppato si presta a questo scopo, come i ricercatori hanno già dimostrato: con due monomeri adatti, sono riusciti a creare un nodo di giunzione che collega tre nastri di grafene.
Finora il lavoro si è concentrato principalmente su nastri di grafene sintetizzati su superfici metalliche. Tuttavia, per poter utilizzare questi nastri di grafene in elettronica, è necessario sintetizzarli su superfici di semiconduttori o sviluppare metodi per trasferirli da superfici metalliche a superfici di semiconduttori. I primi risultati già ottenuti in questa direzione fanno ben sperare i ricercatori.
