纳米材料工程:石墨烯轨道上的铝团簇

Structured Graphene Devices for Mass Transport通过外加电流的控制,让铝团簇在石墨烯的轨道上运动,这就是西班牙和荷兰的研究人员们近期的成果。

纳米科学的长远目标就是在纳米尺度对材料进行有效的控制。人们已经可以利用扫描隧道显微镜的针尖对单个的原子进行操作,但这种方法对大尺度的材料并不现实。通过外加电场,碳纳米管也可以用来进行原子的传输,因为纳米碳管具有良好的化学和机械稳定性,所以可以承受完成输运所需的较高的电流。

石墨烯与碳纳米管具有很多相似之处,而且它是平坦的,所以可以使用传统的光刻表面改性技术对其进行大尺度的加工。但截至目前,基于石墨烯的传输还没有被报道过。

西班牙巴塞罗那ICN-CSIC的A. Bachtold领导的研究组和来自荷兰以及西班牙的合作者们最近完成了在这方面的突破。他们通过施加电流,首次实现了可控的金属原子/团簇在石墨烯上的运动。

首先,他们制备了一系列互相交叉的电极,通过在互相垂直的方向上加载电流,使得微小的铝团簇首先在一个方向上运动,然后向右转90度运动。但比较有趣的是金原子团簇同样条件下却随机地扩散到表面上。研究人员推测这可能是从石墨烯表面转移到金属团簇上的不同的电荷数量差异所造成的。

Bachtold和他的研究小组也从理论计算方面证明了在他们所研究的体系中,铝的输运的驱动力是所加载的电流(电驱动 – electromigration),而金的运动的驱动力则是表面的温度。之前曾有研究者的工作提出所谓的风力(wind force)(来源于表面上的缺陷对电子或者空穴的散射)占主导作用。在这篇文章中,作者们认为对铝团簇的输运来说,静电力占主导地位,而风力是可以忽略不计的。

作者们希望这项研究成果能够应用于将来复杂电路的制造。他们也相信这项研究的深入可能会从实验上证实之前一些著名的理论科学家们(例如Friedel,,Peierls,,and Landauer)所提出的理论。未来他们将着眼于更高分辨率的单个原子尺度的研究。

A Barreiro et al., Small 2011; DOI: 10.1002/smll.201001916