Medición de las bandas electrónicas de grafeno bicapa sobre rutenio, que tienen las características del grafeno monocapa independiente. Una de estas características es una forma cónica típica de las bandas cerca de la energía de Fermi. El recuadro muestra un cálculo de estos "conos de Dirac" a modo de comparación. En el fondo se muestra una representación esquemática de la estructura reticular del grafeno.
(PhysOrg.com) - Al controlar el crecimiento en capas del grafeno, una forma relativamente "nueva" de carbono que tiene un solo átomo de espesor, los investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven han descubierto detalles intrigantes sobre las propiedades eléctricas y ópticas superiores del material. Sus hallazgos podrían ayudar a posicionar al grafeno como el material de próxima generación para las computadoras del futuro. pantallas digitales, y sensores electrónicos.
"El grafeno es un material que realmente tiene el potencial de reemplazar al silicio en la industria electrónica, "dijo Peter Sutter, científico de materiales en el Centro de Nanomateriales Funcionales de Brookhaven. "Es delgado, transparente, fuerte, y altamente conductivo, todas características extremadamente atractivas para todo, desde chips de computadora hasta pantallas táctiles y células solares ".
Uno de los mayores desafíos que enfrentan los investigadores es descubrir cómo producir grafeno en grandes cantidades. El método más simple es despegar hojas individuales de grafeno del grafito, un material que consta de muchas capas de grafeno, con trozos de cinta. Pero este método rinde solo pequeñas, copos dentados que no son útiles para la mayoría de las aplicaciones.
En Brookhaven, El grupo de Sutter cultiva grafeno sobre un sustrato metálico, una técnica que puede producir láminas de una sola capa en áreas muy grandes, miles de veces más grandes que las piezas realizadas con el método "Scotch tape". Primero, un solo cristal de rutenio se calienta a temperaturas superiores a 1000 grados Celsius mientras se expone a un gas rico en carbono. A altas temperaturas, Los átomos de carbono pueden apretarse en espacios dentro del cristal metálico, similar al agua que se absorbe con una esponja. A medida que el cristal se enfría lentamente, estos átomos de carbono son expulsados a la superficie del metal, donde forman capas individuales de grafeno. El número de capas formadas puede controlarse mediante la cantidad de átomos de carbono absorbidos inicialmente en el cristal de rutenio.
"Uno de los aspectos únicos de este método es que podemos controlar el grosor del material, el crecimiento de grafeno capa por capa, ", Dijo Sutter." Esto nos ha permitido ver cómo la estructura y las propiedades electrónicas del material cambian a medida que se agregan capas de carbono atómico al sustrato una a la vez ".
Debido a que el grupo de investigación quería determinar cómo el sustrato metálico afecta las propiedades del grafeno, Era importante monitorear las características del material en capas a medida que crecía, una capacidad proporcionada por un microscopio especial en la línea de luz U5 de NSLS.
"Primero, pudimos ver cómo crecía el material, y luego, sin moverlo del sistema, pudimos encender el haz de fotones y determinar su estructura electrónica, "Dijo Stutter." Es extremadamente valioso hacer todo en el mismo entorno ".
Para obtener medidas del material con diferentes números de láminas de grafeno, el grupo utilizó espectroscopía de fotoelectrones con resolución de microángulo, una técnica que permite a los investigadores estudiar la estructura electrónica de regiones de interés muy pequeñas.
Sus hallazgos, publicado en el 8 de julio, Edición 2009 de Nano letras , fueron sorprendentes.
"Descubrimos que si se cultiva una sola hoja de grafeno sobre un metal como el rutenio, el metal se une muy fuertemente a los átomos de carbono y altera las propiedades características que normalmente se encuentran en el grafeno aislado, ", Dijo Sutter." Pero esas propiedades vuelven a emerger en las capas posteriores que crecen en el sustrato ".
En otras palabras, la primera capa de grafeno cultivada en rutenio sacia el sustrato metálico, permitiendo que el resto de las capas recuperen sus propiedades normales.
"Como resultado de este proceso de crecimiento, una pila de dos capas actúa como una monocapa aislada de grafeno y una pila de tres capas actúa como una bicapa aislada, "Sutter dijo.
Los hallazgos del grupo, que también incluye a los investigadores de Brookhaven Mark Hybertsen, Jurek Sadowski, y Eli Sutter, sienta las bases para la producción futura de grafeno para tecnologías avanzadas, y ayuda a los investigadores a comprender cómo los metales, por ejemplo, en los contactos de los dispositivos, cambian las propiedades del grafeno.
