Desde su descubrimiento, el grafeno, una sustancia inusual y versátil compuesta por una red cristalina de átomos de carbono de una sola capa, ha causado mucho entusiasmo en la comunidad científica. Ahora, Nongjian (Nueva Jersey) Tao, un investigador del Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona ha encontrado una nueva forma de hacer grafeno, maximizando el enorme potencial del material, especialmente para su uso en dispositivos electrónicos de alta velocidad.

Junto con colaboradores del Instituto Max Planck de Alemania, el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Utah, y la Universidad de Tsinghua, Beijing, Tao creó un transistor de grafeno compuesto por 13 anillos de benceno.

La molécula, conocido como coroneno, muestra una banda prohibida electrónica mejorada, una propiedad que puede ayudar a superar uno de los obstáculos centrales para la aplicación de la tecnología del grafeno para la electrónica. El trabajo del grupo aparece en la edición avanzada en línea del 29 de junio de Comunicaciones de la naturaleza .

Finalmente, Los componentes de grafeno pueden encontrar su camino en una amplia gama de productos, desde láseres hasta chips informáticos ultrarrápidos; ultracondensadores con capacidades de almacenamiento sin precedentes; herramientas para la detección y el diagnóstico de microbios; celdas fotovoltaicas; aplicaciones de computación cuántica y muchas otras.

Como el nombre sugiere, el grafeno está estrechamente relacionado con el grafito. Cada vez que se dibuja un lápiz en una página, se desprenden pequeños fragmentos de grafeno. Cuando se amplía correctamente, la sustancia se asemeja a una malla de gallinero a escala atómica. Las hojas del material poseen propiedades ópticas y electrónicas excepcionales, haciéndolo muy atractivo para aplicaciones variadas.

"El grafeno es un material asombroso, hecho de átomos de carbono conectados en una estructura de panal, "Tao dice, apuntando a la enorme movilidad eléctrica del grafeno:la facilidad con la que los electrones pueden fluir a través del material. Esta alta movilidad es un parámetro crítico para determinar la velocidad de componentes como los transistores.

Sin embargo, al producir cantidades utilizables de grafeno, puede ser complicado. Hasta ahora, se han favorecido dos métodos, uno en el que se desprende grafeno de una sola capa de una hoja de grafito de varias capas, usando cinta adhesiva y el otro, en el que se cultivan cristales de grafeno sobre un sustrato, como carburo de silicio.

En cada caso, se debe superar una propiedad intrínseca del grafeno para que el material sea adecuado para un transistor. Como explica Tao, "Un transistor es básicamente un interruptor:lo enciende o apaga. Un transistor de grafeno es muy rápido, pero la relación de encendido / apagado es muy pequeña". Esto se debe al hecho de que el espacio entre las bandas de valencia y conducción del material —O band gap como se le conoce— es cero para el grafeno.

Para ampliar la banda prohibida y mejorar la relación de encendido / apagado del material, Las hojas más grandes de grafeno pueden reducirse a tamaños a nanoescala. Esto tiene el efecto de abrir la brecha entre las bandas de valencia y conductancia y mejorar la relación de encendido / apagado, aunque tal reducción de tamaño tiene un costo. El proceso es laborioso y tiende a introducir irregularidades en la forma e impurezas en la composición química, que degradan algo las propiedades eléctricas del grafeno. "Es posible que esta no sea una solución viable para la producción en masa, "Observa Tao.

En lugar de un enfoque de arriba hacia abajo en el que las hojas de grafeno se reducen a un tamaño adecuado para actuar como transistores, El enfoque de Tao es de abajo hacia arriba:la construcción del grafeno, molecular pieza a pieza. Para hacer esto, Tao se basa en la síntesis química de anillos de benceno, estructuras hexagonales, cada uno formado por 6 átomos de carbono. "El benceno suele ser un material aislante, ", Dice Tao. Pero a medida que se unen más anillos de este tipo, El comportamiento del material se parece más a un semiconductor.

Usando este proceso, el grupo pudo sintetizar una molécula de coroneno, que consta de 13 anillos de benceno dispuestos en una forma bien definida. Luego, la molécula se ajustó a cada lado con grupos enlazadores, aglutinantes químicos que permiten que la molécula se adhiera a los electrodos, formando un circuito a nanoescala. Luego se pasó un potencial eléctrico a través de la molécula y el comportamiento, observado. La nueva estructura mostraba las propiedades del transistor, mostrando interruptores de encendido y apagado reversibles.

Tao señala que el proceso de síntesis química permite el ajuste fino de estructuras en términos de tamaño ideal, forma y estructura geométrica, lo que lo hace ventajoso para la producción comercial en masa. El grafeno también puede estar libre de defectos e impurezas, reduciendo así la dispersión eléctrica y proporcionando material con máxima movilidad y velocidad portadora, ideal para electrónica de alta velocidad.

En dispositivos convencionales, la resistencia es proporcional a la temperatura, pero en los transistores de grafeno de Tao et al., la movilidad de los electrones se debe al efecto túnel cuántico, y permanece independiente de la temperatura, una firma de proceso coherente.

El grupo cree que podrán ampliar las estructuras del grafeno a través de la síntesis química a quizás cientos de anillos. sin dejar de mantener una banda prohibida suficiente para permitir el comportamiento de conmutación. La investigación abre muchas posibilidades para la futura comercialización de este material poco común, y su uso en una nueva generación de electrónica ultrarrápida.