Aalto-yliopiston tutkijat ovat osoittaneet kokeellisesti, että atomitasolla täsmälleen tietyn levyiset grafeeni-nanonauhat käyttäytyvät metallin tavoin, aiempien teoreettisten ennustusten mukaisesti.

Grafeeni on kymmenkunta vuotta sitten keksitty hiilirakenne, joka muodostuu yhdestä kerroksesta toisiinsa sitoutuneita hiiliatomeja. Se on kestävin tällä hetkellä tunnettu aine, ja koska se on erittäin valoaläpäisevää ja johtaa hyvin lämpöä ja sähköä, etsitään sille käyttöä monissa erilaisissa sovelluksissa.

Uudet suomalaistulokset tasoittavat tietä grafeenin käytölle tulevaisuuden elektronissa laitteissa, kuten mikroprosessoreissa, joissa grafeiinista valmistetuilla erittäin ohuilla nanonauhoilla voitaisiin korvata kupari johdinmateriaalina. Kun johtimen koko pienennetään atomimittakaavaan, grafeenin lämmönjohtavuuden ja kestävyyden uskotaan olevan parempi kuin kuparin.

Grafeenia tutkitaan maailmalla paljon. Aiemmin valmistetut grafeeni-nanonauhat ovat kuitenkin olleet puolijohteita, joilla ei voi suoraan korvata metallisia johtimia. 

Poikkeukselliset elektroniset ominaisuudet

Nanonauhan valmistus perustuu molekyylien väliseen kemialliseen reaktioon metallipinnalla.

"Nauhojen valmistamiseen käytettävä molekyyli määrittää tarkasti nauhan leveyden", selittää Pekka Joensuu, joka valvoi käytettyjen molekyylien synteesiä. 

"Jos halutaan muuttaa nauhan leveyttä vaikkapa yhden hiiliatomin verran, valitaan vain eri molekyyli".

"Mittasimme tunnelointimikroskoopilla yksittäisten nauhojen ominaisuuksia ja osoitimme, että yli viiden nanometrin pituiset nauhat käyttäytyvät metallin tavoin", kertoo Amina Kimouche.

Otsikkokuva esittää grafeeninauhaa ja sitä tutkivaa mikroskoopin kärkeä.

Kokeellisia havaintoja täydennettiin teoreettisilla laskelmilla. Teorian mukaan nauhojen leveyden kasvaessa atomi kerrallaan joka kolmannen leveyden pitäisi olla lähes metallinen ja sen energia-aukon erittäin pieni.

"Kvanttimekaniikan mukaan järjestelmän pienentäminen tavallisesti kasvattaa energia-aukkoa. Grafeeni toimii eri tavalla poikkeuksellisten elektronisten ominaisuuksiensa ansiosta", sanoo laskelmat tehnyt tohtoriopiskelija Mikko Ervasti Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmästä.

"Tulevissa tutkimuksissa keskitymme kokonaan grafeenista valmistettuihin rakenteisiin, joissa yhdistyvät sekä metalliset että puolijohtavat grafeeni-nanorakenteet”, toteaa tutkimuksen johtaja professori Peter Liljeroth.

Tutkimus "Ultra-narrow metallic armchair graphene nanoribbons" julkaistiin Nature Communications -tiedelehdessä.

Tutkimukseen osallistuneet Atomic Scale Physics - ja Quantum Many-Body Physics -tutkimusryhmät kuuluvat Suomen Akatemian Matalien lämpötilojen kvantti-ilmiöiden ja komponenttien (LTQ) ja Laskennallisen nanotieteen (COMP) huippuyksiköihin. Tutkimusta ovat rahoittaneet Suomen Akatemia ja Euroopan tutkimusneuvosto ERC.

Artikkeli perustuu Aalto-ylioiston tiedotteeseen.