Le impronte digitali dei nano-nastri di grafene

Ricercatori in Germania, Italia e Regno Unito hanno fatto la prima analisi sistematica dello spettro Raman di diversi tipi di “nano-nastri” di grafene ultra-sottili (graphene nanoribbons, GNRs), mostrando che la larghezza, la geometria dei bordi e la loro funzionalizzazione influenzano le caratteristiche degli spettri Raman. Lo studio fornisce nuove intuizioni sul modo in cui le proprietà vibrazionali ed elettroniche di nanostrutture cambiano con la loro dimensionalità e dimostra che la spettroscopia Raman è un potente strumento di caratterizzazione per i GNRs. E’ pubblicato sulla rivista Nano Letters.

I nano-nastri di grafene (che i fisici chiamano graphene nanoribbons o GNRs) sono ottimi candidati per l’elettronica di prossima generazione basata su grafene. Tuttavia, per essere utilizzati nei transistor, devono avere larghezza ultra-sottile (al di sotto dei 10nm) e bordi strutturalmente ben definiti. Nano-nastri con questi requisiti non possono essere fabbricati con metodi “top-down”, come le tecniche litografiche. Recentemente si sono sviluppate tecniche note come “grafitizzazione” e “planarizzazione” con le quali a partire da soluzioni dendritiche di precursori di polifenilene si ottengono nanoribbons ultra-sottili e strutturalmente ben definiti. Tuttavia la caratterizzazione di queste strutture con la spettroscopia Raman, una delle tecniche più utilizzate per caratterizzare materiali di carbonio, è stata finora trascurata. Particolarmente interessante è la regione a bassa energia dello spettro Raman in quanto è qui che allotropi del carbonio hanno specifiche impronte spettrali.

I ricercatori del Max Planck Institute di Mainz sono recentemente riusciti a fabbricare nanoribbons di meno di 10 nm di larghezza con bordi definiti, funzionalizzati con catene alchiliche per migliorarne la solubilità. “Queste nanostrutture sono ideali per gli studi di spettroscopia Raman” dice un team guidato da Cinzia Casiraghi (Libera Università di Berlino e Università di Manchester), Deborah Prezzi (Istituto Nanoscienze del Cnr di Modena) e Andrea Ferrari (Università di Cambridge). I ricercatori hanno scoperto che il picco caratteristico a bassa energia è influenzato dai bordi del nastro e non solo dalla sua larghezza, come accade invece per i nanotubi di carbonio. Hanno anche osservato una caratteristica di dispersione del cosiddetto ‘picco D’ che sembra essere un’ulteriore impronta digitale di questi materiali e che li differenzia da altri sistemi basati su carbonio come il grafene o i nanotubi di carbonio.

“Da un punto di vista pratico, i nostri risultati mostrano che potremmo usare la spettroscopia Raman per caratterizzare completamente i nanoribbons di grafene – come precedentemente fatto con grafene e nanotubi”, spiega il team di ricercatori. “Dal punto di vista fondamentale, il nostro lavoro fornisce ulteriori approfondimenti riguardo a come le proprietà vibrazionali ed elettroniche di nanostrutture cambiano con la dimensionalità. Abbiamo confrontato, per esempio, lo spettro Raman di nanoribbons unidimensionali con quelli del grafene che è bidimensionale e idrocarburi poliaromatici, che sono zero-dimensionali, alla ricerca di impronte digitali caratteristiche associate ai nanoribbons”.

Il prossimo passo, dice il team, è studiare un insieme più ampio di nanoribbons, in cui ogni parametro strutturale (lunghezza, larghezza, il tipo di gruppo funzionale e del tipo di bordo) viene modificata in modo sistematico. “Questo lavoro ci aiuterà a portare alla luce un rapporto più generale tra la struttura e le caratteristiche Raman”, dicono i ricercatori.

 

Il lavoro, pubblicato sulla rivista Nano Letters DOI: 10.1021 / acs.nanolett.5b04183, ha coinvolto tre laboratori per lo studio degli spettri Raman dei campioni sintetizzati a Mainz, uno presso il Dipartimento di Fisica dell’Università Libera di Berlino, un altro presso il Graphene Center dell’Università di Cambridge e un terzo presso la Scuola di Chimica dell’Università di Manchester. Il gruppo CNR-NANO a Modena, con il sostegno del Centro di supercalcolo CINECA (programmi PRACE e ISCRA), ha invece effettuato le simulazioni atomistiche che hanno permesso di interpretare le osservazioni sperimentali, disaccoppiando gli effetti dovuti ai diversi parametri strutturali (larghezza, catene, gruppi funzionali).

 

Raman fingerprints of atomically precise graphene nanoribbons – Nano Letters DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b04183 – Publication Date (Web): February 23, 2016

Contatti: Deborah Prezzi, gruppo di Teoria e simulazioni da principi primi – NANO Modena

[Immagine: Struttura schematica dei diversi tipi di nanoribbons studiati nella ricerca, Copyright © Deborah Prezzi, NANO-Cnr Modena]

Posted in News, Ricerca and tagged .