Individual graphene oxide sheets subjected to chemical reduction were electrically characterized as a function of temperature and external electric fields. The fully reduced monolayers exhibited conductivities ranging between 0.05 and 2 S/cm and field effect mobilities of 2−200 cm2/Vs at room temperature. Temperature-dependent electrical measurements and Raman spectroscopic investigations suggest that charge transport occurs via variable range hopping between intact graphene islands with sizes on the order of several nanometers. Furthermore, the comparative study of multilayered sheets revealed that the conductivity of the undermost layer is reduced by a factor of more than 2 as a consequence of the interaction with the Si/SiO2 substrate.

The isotropic magnetic moment of a free atom is shown to develop giant magnetic anisotropy energy due to symmetry reduction at an atomically ordered surface. Single cobalt atoms deposited onto platinum (111) are found to have a magnetic anisotropy energy of 9 millielectron volts per atom arising from the combination of unquenched orbital moments (1.1 Bohr magnetons) and strong spin-orbit coupling induced by the platinum substrate. By assembling cobalt nanoparticles containing up to 40 atoms, the magnetic anisotropy energy is further shown to be dependent on single-atom coordination changes. These results confirm theoretical predictions and are of fundamental value to understanding how magnetic anisotropy develops in finite-sized magnetic particles.

The elastic modulus of freely suspended graphene monolayers, obtained via chemical reduction of graphene oxide, was determined through tip-induced deformation experiments. Despite their defect content, the single sheets exhibit an extraordinary stiffness (E = 0.25 TPa) approaching that of pristine graphene, as well as a high flexibility which enables them to bend easily in their elastic regime. Built-in tensions are found to be significantly lower compared to mechanically exfoliated graphene. The high resilience of the sheets is demonstrated by their unaltered electrical conductivity after multiple deformations. The electrical conductivity of the sheets scales inversely with the elastic modulus, pointing toward a 2-fold role of the oxygen bridges, that is, to impart a bond reinforcement while at the same time impeding the charge transport.

The long-range ordered surface alloy $\mathrm{Bi}/\mathrm{Ag}(111)$ is found to exhibit a giant spin splitting of its surface electronic structure due to spin-orbit coupling, as is determined by angle-resolved photoelectron spectroscopy. First-principles electronic structure calculations fully confirm the experimental findings. The effect is brought about by a strong in-plane gradient of the crystal potential in the surface layer, in interplay with the structural asymmetry due to the surface-potential barrier. As a result, the spin polarization of the surface states is considerably rotated out of the surface plane.

The physical and chemical properties of low-dimensional structures depend on their size and shape, and can be very different from those of bulk matter. If such structures have at least one dimension small enough that quantum-mechanical effects prevail, their behaviour can be particularly interesting. In this way, for example, magnetic nanostructures can be made from materials that are non-magnetic in bulk1, catalytic activity can emerge from traditionally inert elements such as gold2, and electronic behaviour useful for device technology can be developed3,4. The controlled fabrication of ordered metal and semiconductor nanostructures at surfaces remains, however, a difficult challenge. Here we describe the fabrication of highly ordered, two-dimensional nanostructure arrays through nucleation of deposited metal atoms on substrates with periodic patterns defined by dislocations that form to relieve strain. The strain-relief patterns are created spontaneously when a monolayer or two of one material is deposited on a substrate with a different lattice constant. Dislocations often repel adsorbed atoms diffusing over the surface, and so they can serve as templates for the confined nucleation of nanostructures from adatoms. We use this technique to prepare ordered arrays of silver and iron nanostructures on metal substrates.

TiO2 anatase plays a central role in energy and environmental research. A major bottleneck toward developing artificial photosynthesis with TiO2 is that it only absorbs ultraviolet light, owing to its large bandgap of 3.2 eV. If one could reduce the bandgap of anatase to the visible region, TiO2-based photocatalysis could become a competitive clean energy source. Here, using scanning tunneling microscopy and spectroscopy in conjunction with density functional theory calculations, we report the discovery of a highly reactive titanium-terminated anatase surface with a reduced bandgap of less than 2 eV, stretching into the red portion of the solar spectrum. By tuning the surface preparation conditions, we can reversibly switch between the standard anatase surface and the newly discovered low bandgap surface phase. The identification of a TiO2 anatase surface phase with a bandgap in the visible and high chemical reactivity has important implications for solar energy conversion, photocatalysis, and artificial photosynthesis.

THE formation of nanometre-scale surface structures by atomic manipulation with the scanning tunnelling microscope has opened up opportunities for creating new metastable states of matter atom by atom1. The technique allows the fabrication of arbitrary structures, but its application may be limited by considerations of speed, as only one nanostructure can be built at a time. Here we describe the simultaneous formation of many densely packed nanostructures of various morphologies using diffusion-controlled aggregation on surfaces. By exploiting the dependence of the mobility of adsorbed atoms on substrate crystal face and temperature, we are able to grow linear, two-dimensional or tenuous fractal aggregates of nanometre dimensions. The high number density (1011& minus;1014 cm& minus;2) of these structures means that their physical and chemical properties can be easily measured with conventional surface spectroscopies.

He diffraction and scanning-tunneling-microscopy investigations on the growth of the Cu{110}-(2\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}1)O added-row structure reveal a novel phenomenon: the long-range spatial self-organization of two-dimensional islands. In a wide coverage range the anisotropic Cu-O islands arrange themselves in a striped periodic supergrating, with the stripes running along the 〈001〉 direction. The spacing of the supergrating depends on oxygen coverage and temperature and varies between 140 and 60 \AA{}.

Large biomolecules are attractive templates for the synthesis of metal1-7 and inorganic8-10 compound nanostructures. The well-defined chemical and structural heterogeneity of the biotemplates can be exploited for the precise control of the size and shape of the formed nanostructures. Here, we demonstrate that the central channel of the tobacco mosaic virus (TMV) can be used as a template to synthesize nickel and cobalt nanowires only a few atoms in diameter, with lengths up to the micrometer range.