Grafeno una red de átomos de carbono de un átomo de espesor, A menudo se promociona como un material revolucionario que ocupará el lugar del silicio en el corazón de la electrónica. La velocidad inigualable a la que puede mover electrones, más su factor de forma esencialmente bidimensional, que sea una alternativa atractiva, pero quedan varios obstáculos para su adopción.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Pennsylvania; Universidad de California, Berkeley; y la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha avanzado en la resolución de uno de esos obstáculos. Al demostrar una nueva forma de cambiar la cantidad de electrones que residen en una región determinada dentro de una pieza de grafeno, tienen una prueba de principio en la fabricación de los bloques de construcción fundamentales de los dispositivos semiconductores utilizando el material 2-D.

Es más, su método permite ajustar este valor mediante la aplicación de un campo eléctrico, lo que significa que los elementos del circuito de grafeno fabricados de esta manera podrían algún día "reconectarse" dinámicamente sin alterar físicamente el dispositivo.

El estudio fue una colaboración entre los grupos de Andrew Rappe en Penn, Lane Martin en UC Berkeley y Moonsub Shim en Illinois.

Fue publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

El silicio se utiliza para fabricar elementos de circuitos debido a su densidad de portadores de carga, la cantidad de electrones libres que contiene, se puede aumentar o disminuir fácilmente agregando impurezas químicas. Este proceso de "dopaje" da como resultado semiconductores "tipo p" y "tipo n", silicio que tiene portadores de carga más positivos o más negativos.

Las uniones entre los semiconductores de tipo py n son los componentes básicos de los dispositivos electrónicos. Juntos en secuencia, estas uniones p-n forman transistores, que a su vez se pueden combinar en circuitos integrados, microchips y procesadores.

Es posible dopar químicamente el grafeno para lograr una versión del material de tipo p y n, pero significa sacrificar algunas de sus propiedades eléctricas únicas. Un efecto similar es posible aplicando cambios de voltaje locales al material, pero fabricar y colocar los electrodos necesarios niega las ventajas que ofrece el factor de forma del grafeno.

"Hemos creado un método no destructivo, forma reversible de dopaje, "Rappe dijo, "eso no implica ningún cambio físico en el grafeno".

La técnica del equipo consiste en depositar una capa de grafeno para que descanse sobre, pero no se une a un segundo material:niobato de litio. El niobato de litio es ferroeléctrico, lo que significa que es polar, y sus superficies tienen carga positiva o negativa. La aplicación de un pulso de campo eléctrico puede cambiar el signo de las cargas superficiales.

"Esa es una situación inestable, "Rappe dijo, "en el sentido de que la superficie cargada positivamente querrá acumular cargas negativas y viceversa. Para resolver ese desequilibrio, podría hacer que otros iones entren y se unan o que el óxido pierda o gane electrones para cancelar esas cargas, pero hemos encontrado una tercera forma.

"Aquí tenemos el grafeno en espera, en la superficie del óxido pero sin unirse a él. Ahora, si la superficie de óxido dice, 'Ojalá tuviera más carga negativa, 'en lugar de que el óxido recolecte iones del medio ambiente o gane electrones, el grafeno dice 'puedo retener los electrones por ti, y estarán muy cerca '".

Rappe sugirió usar niobato de litio, ya que ya se usa comúnmente en ingeniería óptica y tiene propiedades que se prestarían a la creación de uniones p-n. Los investigadores aprovecharon el hecho de que cierto tipo de material, niobato de litio periódicamente polarizado, está fabricado para que tenga "franjas" de regiones polares que alternan entre positivo y negativo.

"Debido a que los dominios de niobato de litio pueden dictar las propiedades, "Shim dijo, "diferentes regiones de grafeno pueden adquirir un carácter diferente según la naturaleza del dominio subyacente. Eso permite, como hemos demostrado, un medio simple de crear una unión p-n o incluso una matriz de uniones p-n en un solo copo de grafeno. Tal capacidad debería facilitar avances en el grafeno que podrían ser análogos a lo que han hecho las uniones p-n y los circuitos complementarios para la electrónica de semiconductores de vanguardia actual.

"Lo que es aún más emocionante es la habilitación de la optoelectrónica utilizando grafeno y la posibilidad de guías de onda, lente y manipulación periódica de electrones confinados en un material atómicamente delgado ".

Sus experimentos también involucraron agregar una sola puerta al dispositivo, lo que permitió que su densidad de portadora general se sintonizara aún más mediante la aplicación de diferentes voltajes.

Teniendo en cuenta cómo el óxido equilibra sus cargas superficiales por sí solo, o uniendo iones de la solución acuosa, los investigadores pudieron mostrar la relación entre la polarización del óxido y la densidad del portador de carga del grafeno suspendido sobre él.

Y debido a que la polarización del óxido se puede alterar fácilmente, el tipo y el alcance del dopaje con grafeno soportado se pueden alterar junto con él.

"Podrías venir con una punta que produzca un determinado campo eléctrico, y con solo ponerlo cerca del óxido podrías cambiar su polaridad, ", Dijo Martin." Usted escribe un dominio 'arriba' o un dominio 'abajo' en la región que lo desea, y la densidad de carga del grafeno reflejaría ese cambio. Podrías hacer que el grafeno sobre esa región sea tipo p o tipo n, y, si cambias tu mente, puedes borrarlo y empezar de nuevo ".

Esta capacidad representaría una ventaja sobre los semiconductores dopados químicamente. Una vez que las impurezas atómicas se mezclan con el material para cambiar su densidad de portador, no se pueden eliminar. Las investigaciones futuras investigarán la viabilidad de diseñar dispositivos semiconductores dinámicos con esta técnica.

"Actualmente no podemos hacer eso, pero esa es la dirección que queremos tomar "Rappe dijo, "Hay algunos óxidos que se pueden repolarizar en una escala de tiempo de nanosegundos, para que pueda realizar algunos cambios realmente dinámicos si es necesario. Esto abre muchas posibilidades ".