توسط آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، 26 دسامبر 2021 – تصویر میکروسکوپی تونل زنی روبشی از یک نانوروبان گرافن زیگزاگ. اعتبار: فلیکس فیشر/آزمایشگاه برکلی
از زمانی که گرافن – یک ورقه کربن نازک با ضخامت یک اتم – بیش از 15 سال پیش کشف شد، این ماده شگفت‌انگیز به یک اسباب کار در تحقیقات علم مواد تبدیل شد. از این مجموعه کار، سایر محققان دریافتند که برش گرافن در امتداد لبه شبکه لانه زنبوری آن، نوارهای گرافن زیگزاگ یا نانوروبان های یک بعدی با خواص مغناطیسی عجیب و غریب ایجاد می کند.
بسیاری از محققان به دنبال مهار رفتار مغناطیسی غیرمعمول نانوروبان‌ها در دستگاه‌های اسپینترونیک مبتنی بر کربن بوده‌اند که با رمزگذاری داده‌ها از طریق اسپین الکترون به جای شارژ، ذخیره‌سازی داده‌ها و فناوری‌های پردازش اطلاعات با سرعت بالا و کم مصرف را ممکن می‌سازد. اما از آنجایی که نانوروبان‌های زیگزاگ بسیار واکنش‌پذیر هستند، محققان با نحوه مشاهده و هدایت خواص عجیب و غریب آن‌ها در یک دستگاه واقعی دست و پنجه نرم کرده‌اند.
اکنون، همانطور که در مجله Nature گزارش شده است، محققان آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) و دانشگاه کالیفرنیا برکلی روشی را برای تثبیت لبه‌های نانوروبان‌های گرافن و اندازه‌گیری مستقیم خواص مغناطیسی منحصربه‌فرد آن‌ها ایجاد کرده‌اند.
این تیم به رهبری فلیکس فیشر و استیون لویی، هر دو دانشمند دانشکده در بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی، دریافتند که با جایگزین کردن برخی از اتم‌های کربن در امتداد لبه‌های زیگزاگ نوار با اتم‌های نیتروژن، می‌توانند ساختار الکترونیکی محلی را بدون ایجاد اختلال تنظیم کنند. خواص مغناطیسی این تغییر ساختاری ظریف توسعه یک تکنیک میکروسکوپ کاوشگر روبشی را برای اندازه‌گیری مغناطیس موضعی ماده در مقیاس اتمی امکان‌پذیر کرد.
لویی که همچنین استاد فیزیک در دانشگاه کالیفرنیا برکلی است، می‌گوید: تلاش‌های قبلی برای تثبیت لبه زیگزاگ به ناچار ساختار الکترونیکی لبه را تغییر داد. او افزود: این معضل تلاش‌ها برای دستیابی به ساختار مغناطیسی آن‌ها با تکنیک‌های تجربی را محکوم کرده است و تاکنون اکتشاف آن‌ها را به مدل‌های محاسباتی تنزل داده است.
فیشر و لویی با هدایت مدل‌های نظری، یک بلوک ساختمانی مولکولی سفارشی طراحی کردند که دارای آرایشی از اتم‌های کربن و نیتروژن است که می‌تواند بر روی ساختار دقیق نانوروبان‌های گرافن زیگزاگ مورد نظر ترسیم شود.برای ساختن نانوروبان‌ها، ابتدا بلوک‌های ساختمانی مولکولی کوچک روی یک سطح فلزی یا بستر صاف قرار می‌گیرند. سپس، سطح به آرامی گرم می شود و دو دسته شیمیایی در دو انتهای هر مولکول فعال می شود. این مرحله فعال‌سازی یک پیوند شیمیایی را می‌شکند و یک «انتهای چسبنده» بسیار واکنش‌پذیر به جای می‌گذارد.
هر بار که دو “انتهای چسبنده” به هم می رسند در حالی که مولکول های فعال شده روی سطح پخش می شوند، مولکول ها ترکیب می شوند و پیوندهای کربن-کربن جدیدی تشکیل می دهند. در نهایت، این فرآیند زنجیره‌های 1 بعدی بلوک‌های ساختمانی مولکولی را ایجاد می‌کند. در نهایت، مرحله دوم گرمایش، پیوندهای داخلی زنجیره را دوباره مرتب می‌کند تا یک نانوروبان گرافن با دو لبه زیگزاگ موازی تشکیل شود.
ریموند بلک ول، دانشجوی فارغ التحصیل در دانشگاه می گوید: مزیت منحصر به فرد این فناوری مولکولی از پایین به بالا این است که هر ویژگی ساختاری نوار گرافن، مانند موقعیت دقیق اتم های نیتروژن، می تواند در بلوک ساختمان مولکولی رمزگذاری شود.
فیشر، که همچنین استاد شیمی در دانشگاه کالیفرنیا برکلی است، می‌گوید: ما به سرعت متوجه شدیم که نه تنها برای اندازه‌گیری، بلکه برای تعیین کمیت میدان مغناطیسی ناشی از حالت‌های لبه نانوروبان قطبی شده با اسپین، باید به دو مشکل دیگر نیز رسیدگی کنیم.
ابتدا، تیم باید چگونگی جداسازی ساختار الکترونیکی روبان را از بستر آن بیابد. فیشر این مشکل را با استفاده از نوک میکروسکوپ تونل زنی روبشی حل کرد تا پیوند بین نانوروبان گرافن و فلز زیرین را به طور غیرقابل برگشتی قطع کند.
چالش دوم توسعه یک تکنیک جدید برای اندازه گیری مستقیم میدان مغناطیسی در مقیاس نانومتری بود. خوشبختانه، محققان دریافتند که اتم های نیتروژن جایگزین شده در ساختار نانوروبان ها در واقع به عنوان حسگرهای مقیاس اتمی عمل می کنند.اندازه گیری در موقعیت اتم های نیتروژن ویژگی های مشخصه یک میدان مغناطیسی محلی را در امتداد لبه زیگزاگ نشان داد.
