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  • Los investigadores afinan la tensión en los parches de grafeno para crear puntos cuánticos

    Esta es una ilustración de la deformación de un parche de grafeno de tamaño micrón por las fuerzas competitivas de una punta de sonda STM y un electrodo de compuerta trasera. La tensión en la membrana de grafeno crea campos magnéticos pseudo (no reales) que se alternan espacialmente hacia arriba y hacia abajo (gráfico de color rojo y azul) que confina los portadores de grafeno y crea puntos cuánticos cuantificados como niveles de energía. El fondo es una imagen coloreada de microscopía electrónica de barrido de los parches de grafeno fabricados a partir de una sola capa de grafeno exfoliado sobre una matriz de hoyos de un micrón grabados en sustratos de dióxido de silicio. Crédito:N. Klimov y T. Li, NIST / UMD

    Los investigadores han demostrado que pueden ajustar la cepa en grafeno suspendido como parches sobre agujeros microscópicos en un sustrato de óxido de silicio utilizando la punta de un microscopio de sonda de barrido avanzado y una placa conductora debajo del sustrato. El ajuste de la tensión permitió al grupo crear áreas en el grafeno donde los electrones se comportaban como si estuvieran confinados a puntos cuánticos.

    Apretar o relajar la tensión en un parche cambiará la forma en que suena el tambor. Lo mismo ocurre con los parches hechos de grafeno, solo que en lugar de cambiar el sonido, estirar el grafeno tiene un efecto profundo en las propiedades eléctricas del material. Los investigadores que trabajan en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Universidad de Maryland han demostrado que someter el grafeno a tensión mecánica puede imitar los efectos de los campos magnéticos y crear un punto cuántico. un tipo exótico de semiconductor con una amplia gama de usos potenciales en dispositivos electrónicos.

    Los resultados se informaron en el 22 de junio de 2012, cuestión de Ciencias .

    El grafeno es una capa única de átomos de carbono dispuestos en una red de panal. Capaz de conducir electricidad con poca resistencia a temperatura ambiente, el grafeno es un candidato ideal para aplicaciones que van desde pantallas flexibles hasta transistores de alta velocidad.

    Sin embargo, la misma falta de resistencia eléctrica que hace que el grafeno sea atractivo para algunos usos también lo hace inadecuado para aplicaciones de computación digital. El grafeno conduce la electricidad tan bien porque no tiene una banda prohibida, un umbral energético por debajo del cual el material no conducirá la electricidad. Esto significa que el grafeno no se puede "desactivar, "y las computadoras necesitan señales de" encendido "y" apagado "para transmitir y procesar información.

    Debido a que los sustratos reducen la velocidad de los electrones que se mueven a través del grafeno, Nikolai Klimov, un investigador postdoctoral de la Universidad de Maryland que trabaja en NIST, suspendió el grafeno sobre agujeros poco profundos en un sustrato de dióxido de silicio, esencialmente haciendo un conjunto de parches de grafeno. Para medir las propiedades del grafeno, el equipo utilizó un microscopio de sonda de barrido único diseñado y construido en NIST.

    Cuando comenzaron a sondear los parches, descubrieron que el grafeno se elevaba para encontrarse con la punta del microscopio, como resultado de la fuerza de van der Waals, una fuerza eléctrica débil que crea atracción entre objetos que están muy cerca unos de otros.

    "Mientras nuestro instrumento nos decía que el grafeno tenía la forma de una burbuja sujeta a los bordes, las simulaciones realizadas por nuestros colegas de la Universidad de Maryland mostraron que solo estábamos detectando el punto más alto del grafeno, ", dice el científico del NIST Nikolai Zhitenev." Sus cálculos demostraron que la forma en realidad era más parecida a la forma que obtendría si pinchara la superficie de un globo inflado, como un tipi o una carpa de circo ".

    Los investigadores descubrieron que podían sintonizar la tensión en el parche utilizando la placa conductora sobre la que se montaron el grafeno y el sustrato para crear una atracción compensatoria y tirar del parche hacia abajo. De este modo, podrían tirar del grafeno hacia adentro o hacia afuera del agujero debajo de él. Y sus mediciones mostraron que cambiar el grado de deformación cambiaba las propiedades eléctricas del material.

    Por ejemplo, el grupo observó que cuando tiraron de la membrana de grafeno en forma de tienda, la región en el vértice actuó como un punto cuántico, un tipo de semiconductor en el que los electrones están confinados a una pequeña región del espacio.

    La creación de regiones semiconductoras como puntos cuánticos en el grafeno mediante la modificación de su forma podría dar a los científicos lo mejor de ambos mundos:la alta velocidad y la banda prohibida crucial para la informática y otras aplicaciones.

    Según Zhitenev, los electrones fluyen a través del grafeno siguiendo los segmentos de los hexágonos. Estirar los hexágonos reduce la energía cerca del vértice de la forma en forma de tienda y hace que los electrones se muevan hacia adentro, cerrados, Órbitas en forma de trébol, que imitan casi exactamente cómo se moverían los electrones en un campo magnético variado verticalmente.

    "Este comportamiento es realmente notable, ", dice Zhitenev." Hay una pequeña fuga de electrones, pero descubrimos que si complementamos el campo pseudomagnético con un campo magnético real, no hubo ninguna fuga ".

    "Normalmente, para hacer un punto cuántico de grafeno, tendrías que cortar un trozo de grafeno de tamaño nanométrico, ", dice el miembro del NIST Joseph Stroscio." Nuestro trabajo muestra que se puede lograr lo mismo con campos pseudomagnéticos inducidos por tensión. Es un gran resultado y un paso significativo hacia el desarrollo de futuros dispositivos basados ​​en grafeno ".


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