Графеновые наноленты с зигзагообразными краями создают «гирлянду» для электроники будущего

Абсолютная точность: метод исследователей Empa позволяет синтезировать молекулярную структуру с атомарной точностью, что подтверждено микроскопией (сверху: сканирующая туннельная микроскопия; снизу: бесконтактная атомно-силовая микроскопия). Автор: Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий

Органическая химия, химия соединений углерода, является основой всей жизни на Земле. Однако металлы также играют ключевую роль во многих биохимических процессах. Когда дело доходит до «соединения» крупных, тяжелых атомов металлов с легкими органическими соединениями, природа часто полагается на специфическую группу химических структур: порфирины. Эти молекулы образуют органическое кольцо; в его центре могут быть «закреплены» отдельные ионы металлов, такие как железо, кобальт или магний.

Порфириновый каркас лежит в основе гемоглобина в человеческой крови, фотосинтетического хлорофилла в растениях и многочисленных ферментов. В зависимости от того, какой металл захвачен порфирином, полученные соединения могут демонстрировать широкий спектр химических и физических свойств. Химики и специалисты по материаловедению давно стремились использовать эту гибкость и функциональность порфиринов, в том числе для применения в молекулярной электронике.

Однако для функционирования электронных компонентов — даже молекулярных — они должны быть соединены друг с другом. Подключение отдельных молекул — задача не из легких. Но именно этого и добились исследователи из лаборатории nanotech@surfaces Empa в сотрудничестве с синтетическими химиками из Института полимерных исследований Макса Планка.

Им удалось присоединить порфирины к графеновой наноленте абсолютно точно и четко определенным образом. Соответствующее исследование только что опубликовано в журнале Nature Chemistry.

Углеродный «хребет»

Графеновые наноленты — это длинные узкие полоски двумерного углеродного материала графена. В зависимости от их ширины и формы краев они проявляют широкий спектр физических свойств, включая различную проводимость, магнетизм и квантовое поведение.

Исследователи Empa использовали ленту шириной всего 1 нанометр с так называемыми зигзагообразными краями в качестве молекулярного провода. Вдоль этих краев молекулы порфирина стыкуются через совершенно регулярные интервалы, чередуясь между левой и правой сторонами ленты.

«Наша графеновая лента проявляет особый тип магнетизма благодаря своему зигзагообразному краю», — объясняет Фэйфэй Сян, ведущий автор исследования. Атомы металлов в молекулах порфирина, с другой стороны, магнитны более «традиционным» образом. Разница заключается в электронах, которые обеспечивают спин, ответственный за магнетизм.

В то время как несущие спин электроны в металлическом центре остаются локализованными на атоме металла, соответствующие электроны в графеновой ленте «распространяются» вдоль обоих краев.

«Благодаря соединению порфиринов с графеновой основой нам удалось объединить и соединить оба типа магнетизма в одной системе», — объясняет соавтор Оливер Грёнинг, заместитель руководителя лаборатории nanotech@surfaces.

Графеновая нанолента соединяет молекулы порфирина — каждая с металлическим центром (красный) — подобно молекулярной гирлянде. Атомы металлов удерживаются на месте четырьмя атомами азота (синий) внутри порфиринового ядра. Автор: Швейцарские федеральные лаборатории материаловедения и технологий

Эта связь открывает множество дверей в области молекулярной электроники. Графеновая лента служит одновременно и электрическим, и магнитным проводником — своего рода наномасштабным «кабелем» между молекулами порфирина. Коррелированный магнетизм таких графеновых нанолент считается особенно перспективным для применений в квантовых технологиях, где спин, лежащий в основе магнетизма, действует как носитель информации.

«Наша графеновая лента с порфиринами может функционировать как серия взаимосвязанных кубитов», — говорит Роман Фасель, руководитель лаборатории «nanotech@surfaces».

Чувствовать, излучать, проводить

Но это еще не все: Порфирины также являются природными пигментами, как видно на примере молекул хлорофилла и гемоглобина. Для специалистов по материаловедению это означает, что «центры порфирина оптически активны», — говорит Грёнинг.

А оптика — это важный способ взаимодействия с электронными и магнитными свойствами таких молекулярных цепей. Порфирины могут излучать свет, длина волны которого меняется в зависимости от магнитного состояния всей молекулярной системы — своего рода молекулярная гирлянда, где информацию можно считывать по тонким сдвигам цвета.

Обратный процесс также возможен: Порфирины можно возбуждать светом, тем самым влияя на проводимость и магнетизм графеновой основы. Эти молекулярные универсалы могут даже служить химическими сенсорами.

Молекулы порфирина можно легко функционализировать — то есть химически модифицировать, присоединяя специфические химические группы. Если одна из этих добавленных групп связывается с целевым химическим веществом, это взаимодействие также влияет на проводимость графеновой ленты.

«Наша система — это инструментарий, который можно использовать для настройки различных свойств», — говорит Фасель. Далее исследователи планируют изучить различные металлические центры внутри порфиринов и исследовать их эффекты. Они также стремятся расширить графеновую ленту-основу, придав своей молекулярной системе еще более универсальную электронную базу.

Синтез этих «гирлянд» — задача нетривиальная. «Наши партнеры в Институте Макса Планка смогли произвести молекулы-предшественники, состоящие из порфиринового ядра, дополненного несколькими углеродными кольцами, расположенными точно в нужных положениях», — говорит Грёнинг.

Эти сложные молекулы затем «запекаются» при нескольких сотнях градусов Цельсия в условиях сверхвысокого вакуума для формирования длинных цепей. Золотая поверхность служит «противнем». Это единственный способ достичь этих нанометровых структур с атомарной точностью. Команда Empa теперь работает над тем, чтобы сделать эти новые дизайнерские материалы пригодными для будущих квантовых технологий.

Больше информации: Feifei Xiang et al, Zigzag graphene nanoribbons with periodic porphyrin edge extensions, Nature Chemistry (2025). DOI: 10.1038/s41557-025-01887-9

Источник: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology