27.05.2021 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

«Biss»-Defekte in «Bottom-Up»-Graphen-Nanobändern

Wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf mögliche Anwendungen von Graphen-Nanobändern in der Nanoelektronik und Quantentechnologie

Wissenschaftler der Empa und der EPFL haben eine neue Art von Defekten als häufigste Quelle von struktureller Unordnung in auf Oberflächen synthetisierten Graphen-Nanobändern identifiziert, einer neuartigen Klasse von kohlenstoffbasierten Materialien, die sich als äusserst nützlich für elektronische Bauteile der nächsten Generation erweisen könnte. Die Forscher identifizierten die atomare Struktur dieser sogenannten "Biss"-Defekte und untersuchten ihren Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit der Nanobänder. Mit gezielten Biss-Defekten versehene Nanobänder mit Zickzack-Rändern könnten eine geeignete Plattform für bestimmte Anwendungen in der Spintronik darstellen.

Graphen-Nanobänder (engl. graphene nanoribbons, GNRs), schmale Streifen aus einlagigem Graphen, haben aufgrund des Zusammenspiels zwischen atomarer und elektronischer Struktur interessante physikalische, elektronische, thermische und optische Eigenschaften. Ihre neuartigen Eigenschaften haben GNRs bei der Suche nach Möglichkeiten zur Weiterentwicklung verschiedener nanotechnologischer Anwendungen in den Blickpunkt gerückt.

Obwohl «Bottom-up»-Fertigungstechniken die Synthese eines breiten Spektrums von GNRs ermöglichen, die sich durch eine wohldefinierte Kantengeometrie und Breiten oder den Einbau von Heteroatomen auszeichnen, ist die Frage, ob und in welchem Ausmass strukturelle Unordnung in diesen ansonsten atomar präzisen GNRs vorhanden ist, nach wie vor umstritten. Eine Klärung dieser Frage ist von entscheidender Bedeutung für potentielle Anwendungen oder daraus resultierende elektronische Bauteile.

Eine Zusammenarbeit der theoretischen Gruppe des Lehrstuhls für «Computational Condensed Matter Physics» von Oleg Yazyev an der EPFL und des experimentellen Labors «nanotech@surfaces» von Roman Fasel an der Empa hat nun zwei Arbeiten veröffentlicht, die sich mit dieser Frage anhand von GNRs mit sogenannten Sessel- und Zickzack-förmigen Rändern beschäftigen.

«In diesen beiden Arbeiten haben wir uns auf die Charakterisierung von "Biss-Defekten" in GNRs und deren Auswirkungen auf die Eigenschaften der GNRs konzentriert», erklärt die Empa-Forscherin Gabriela Borin Barin. «Wir haben beobachtet, dass das Vorhandensein dieser Defekte zwar den elektronischen Transport im GNR stören kann, dass sie aber auch spin-polarisierte Ströme erzeugen können. Dies sind wichtige Erkenntnisse im Hinblick auf mögliche Anwendungen von GNRs in der Nanoelektronik und Quantentechnologie.»

Graphen-Nanobänder mit sesselförmigen Rändern

Eine der Arbeiten, die kürzlich in der Zeitschrift «2D Materials» veröffentlicht wurde, beschäftigt sich speziell mit 9-Atom breiten Sessel-GNRs (9-AGNRs). Die mechanische Robustheit, die Langzeitstabilität unter Umgebungsbedingungen, die einfache Übertragbarkeit auf Zielsubstrate, die Skalierbarkeit der Herstellung und die geeignete Bandlücke dieser GNRs haben sie zu einem der vielversprechendsten Kandidaten für die Integration als aktive Kanäle in Feldeffekttransistoren (FETs) gemacht. In der Tat weisen 9-AGNR-FETs unter den bisher realisierten Graphen-basierten elektronischen Bauelementen die besten Eigenschaften auf.

Auch wenn die negative Rolle von Defekten in elektronischen Bauelementen bekannt ist, begrenzen Schottky-Barrieren – Potentialbarrieren für Elektronen, die an Metall-Halbleiter-Übergängen entstehen – sowohl die Leistungsfähigkeit aktueller GNR-FETs als auch die experimentelle Charakterisierung des Einflusses von Defekten auf die Bauelementleistung. Die Forschenden haben daher experimentelle und theoretische Ansätze kombiniert, um Defekte in «Bottom-up»-AGNRs zu untersuchen.

Mit Hilfe von Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie konnten die Forscher zunächst fehlende Benzolringe an den Rändern als häufigsten Defekt in 9-AGNRs identifizieren und sowohl die Dichte als auch die räumliche Verteilung dieser Fehlstellen, die sie als «Biss»-Defekte bezeichnet haben, abschätzen. Sie quantifizierten die Defektdichte und stellten fest, dass die Defekte dazu neigen, geballt aufzutreten. Anschliessend untersuchten die Forscher mit Hilfe von Computerberechnungen die Auswirkung solcher Defekte auf den Quantenladungstransport und fanden heraus, dass Fehlstellen diesen an den Bandkanten erheblich stören, indem sie die Leitfähigkeit verringern.

Diese theoretischen Erkenntnisse wurden dann systematisch auf breitere Nanobänder verallgemeinert, so dass die Forscher praktische Richtlinien für die Minimierung der schädlichen Rolle dieser Defekte auf den Ladungstransport aufstellen konnten – ein entscheidender Schritt zur Realisierung neuartiger elektronischer Bauelemente auf Kohlenstoffbasis.

Graphen-Nanobänder mit zickzackförmigen Rändern

In der zweiten Arbeit, die kürzlich in der Zeitschrift «The Journal of Physical Chemistry Letters» veröffentlicht wurde, kombiniert dasselbe Forscherteam rastersondenmikroskopische Experimente und Computerberechnungen, um strukturelle Unordnung und deren Auswirkung auf Magnetismus und elektronischen Transport in zickzack-GNRs (ZGNRs) zu untersuchen.

ZGNRs sind einzigartig wegen ihrer unkonventionellen (metallfreien) magnetischen Ordnung, die laut Vorhersagen bis zu Raumtemperatur erhalten bleibt. Sie besitzen magnetische Momente, die entlang der Ränder ferromagnetisch und quer dazu antiferromagnetisch gekoppelt sind, und es konnte gezeigt werden, dass die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von ZGNRs in hohem Masse moduliert werden können, z. B. durch Ladungsdotierung, elektrische Felder, Gitterdeformationen oder Defekt-Engineering. Die Kombination aus abstimmbaren magnetischen Korrelationen, beträchtlicher Bandlückenbreite und schwachen Spin-Bahn-Wechselwirkungen hat diese ZGNRs zu vielversprechenden Kandidaten für Spin-Logik-Operationen werden lassen. Die Studie befasst sich spezifisch mit sechs Kohlenstoff-Zickzacklinien breiten GNRs (6-ZGNRs), der einzigen Variante von ZGNRs, die bisher mit einem «Bottom-up»-Ansatz hergestellt werden konnte.

Wiederum unter Verwendung von Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie identifizierten die Forscher zunächst das Vorhandensein von Kohlenstoff-Vakanzdefekten an den Kanten der Nanobänder, und klärten dann deren atomare Struktur auf. Ihre Ergebnisse zeigen, dass jede Leerstelle einer fehlenden m-Xylol-Einheit entspricht, d.h. einen Biss-Defekt, der wie bei den AGNRs aus der Spaltung einer C-C-Bindung resultiert, die während des Zyklodehydrierungsprozesses als Nebenreaktion auftritt. Die Forscher schätzen, dass die Dichte der Biss-Defekte in 6-ZGNRs grösser ist als die der entsprechenden Defekte in AGNRs.

Der Einfluss dieser Biss-Defekte auf die elektronische Struktur und die Quantentransporteigenschaften von 6-ZGNRs wurde ebenfalls theoretisch untersucht. Die Forscher fanden heraus, dass die Einführung von Defekten, ähnlich wie bei AGNRs, eine signifikante Störung der Leitfähigkeit verursacht. Darüber hinaus induzieren diese unbeabsichtigten Defekte in ZGNRs ein Untergitter- und Spin-Ungleichgewicht, wodurch ein lokales magnetisches Moment entsteht. Dies wiederum führt zu einem spin-polarisierten Ladungstransport, der defekte Zickzack-Nanobänder optimal geeignet macht für Anwendungen an der Grenze der Skalierbarkeit in der kohlenstoffbasierten Spintronik.

Ein Vergleich zwischen ZGNRs und AGNRs gleicher Breite zeigt, dass der elektronische Transport in ZGNRs weniger empfindlich auf sowohl einzelne als auch mehrere Defekte reagiert als in AGNRs. Insgesamt liefern die beiden Arbeiten ein umfassendes Bild der Auswirkungen von Biss-Defekten auf die niederenergetische elektronische Struktur von «Bottom-up»-GNRs. Zukünftige Forschung könnte sich auf die Untersuchung anderer Arten von Punktdefekten konzentrieren, die an den Kanten solcher Nanobänder beobachtet wurden, so die Forscher.

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