Исследователи из США провели первые детальные исследования «приграничных электронных состояний» графеновых нанолент. Различные работы предсказывали необычные свойства этих состояний, таким образом, опубликованные результаты позволят в будущем строить на их основе улучшенные наномасштабные устройства.

Графен представляет собой одноатомный лист атомов углерода, формирующих гексагональную двумерную кристаллическую решетку. Обычно, когда обсуждаются уникальные свойства этого материала, подразумевается, что площадь такого листа много больше межатомных расстояний. В этом случае значительную роль играет так называемый дальний порядок атомов в кристаллической решетке. Приближение к границе листа достаточно сильно нарушает эту закономерность; там начинают играть роль так называемые приграничные эффекты, а точнее особые «приграничные электронные состояния».

Наноленты из графена – это фрагменты материала всего несколько нанометров шириной. Ученые считают, что, в зависимости от угла к связям между атомами, под которым отрезана лента, она может иметь различные физические (электрические, магнитные и оптические) свойства и, соответственно, различные технологические применения. Стоит отметить, что в число варьирующихся свойств входит также ширина запрещенной зоны для электронов (как в полупроводниках), которая равна нулю для больших по площади листов графена.

До сих пор ученые могли лишь предсказывать свойства нанолент графена, т.к. была не ясна атомарная структура материала на границе полосы. Таким образом, на эксперименте было невозможно уточнить, являются ли, например, границы двух нанополос идентичными. Это было вызвано тем, что использовавшиеся ранее методики создания нанополос формировали на границе неупорядоченную, можно сказать, непредсказуемую, атомную структуру.

Но недавно ученые из Lawrence Berkeley National laboratory и University of California (США) преодолели эту проблему, отыскав специальный метод производства нанолент с «чистыми» краями и исследовав их при помощи сканирующей туннельной микроскопии (scanning tunnelling microscopy, STM). В рамках их экспериментов наноленты создавались при помощи химического «разворачивания» предварительно выращенных нанотрубок. Впервые такая методика была применена ранее учеными из Stanford University (США).

Измерения показали, что такие наноленты с хорошо упорядоченными атомами на границе имеют так называемые одномерные электронные приграничные состояния. Причем, для этих состояний характерно существование запрещенной зоны. Этот факт ранее был предсказан из теоретических соображений, но никогда не проверялся экспериментально. Подробные результаты работы приведены в журнале Nature Physics.

Для проверки предсказанных свойств, совместная научная группа покрыла нанолентами поверхность золотого кристалла, охладила их до температуры 6 градусов по шкале Кельвина. После чего были получены STM-изображения их поверхности с атомарным разрешением, позволившие измерить локальную плотность электронных состояний вблизи границы ленты.

Подтверждение предсказанных ранее свойств может ускорить разработку нового типа устройств, эксплуатирующих приграничные явления листов графена. К примеру, специфических детекторов, фотогальванических устройств или переключателей на базе графеновых нанолент. Кроме того, проведенный эксперимент поможет лучше понять процессы, происходящие на границе столь хорошо изученной наноструктуры, как графен.