Investigadores del Instituto Politécnico Rensselaer desarrollaron un nuevo método para usar agua para ajustar la banda prohibida del nanomaterial grafeno, abriendo la puerta a nuevos transistores basados ​​en grafeno y nanoelectrónica.

Al exponer una película de grafeno a la humedad, El profesor Nikhil Koratkar de Rensselaer y su equipo de investigación pudieron crear una brecha de banda en el grafeno, un requisito previo fundamental para la creación de transistores de grafeno. En el corazón de la electrónica moderna, Los transistores son dispositivos que se pueden "encender" o "apagar" para alterar una señal eléctrica. Los microprocesadores de computadora están compuestos por millones de transistores hechos de silicio, material semiconductor, para lo cual la industria busca activamente un sucesor.

Grafeno una hoja de átomos de carbono del grosor de un átomo dispuesta como una valla de alambre a nanoescala, no tiene banda prohibida. El equipo de Koratkar demostró cómo abrir una brecha de banda en el grafeno en función de la cantidad de agua que adsorbieron a un lado del material. sintonizando con precisión la banda prohibida a cualquier valor de 0 a 0,2 electronvoltios. Este efecto fue completamente reversible y la banda prohibida se redujo de nuevo a cero bajo vacío. La técnica no implica ninguna ingeniería complicada o modificación del grafeno, pero requiere un recinto donde la humedad se pueda controlar con precisión.

"El grafeno es apreciado por sus propiedades mecánicas únicas y atractivas. Pero si construyes un transistor con grafeno, simplemente no funcionaría ya que el grafeno actúa como un semi-metal y tiene cero banda prohibida, "dijo Koratkar, profesor del Departamento de Mecánica, Aeroespacial, e Ingeniería Nuclear en Rensselaer. "En este estudio, demostramos un método relativamente fácil para darle al grafeno una banda prohibida. Esto podría abrir la puerta al uso de grafeno para una nueva generación de transistores, diodos nanoelectrónica, nanofotónica, y otras aplicaciones ".

Los resultados del estudio se detallaron en el artículo "Tunable Band gap in Graphene by the Controlled Adsorbtion of Water Molecules, "publicado esta semana por la revista Pequeña .

En su estado natural, el grafeno tiene una estructura peculiar pero no tiene banda prohibida. Se comporta como un metal y se le conoce como buen conductor. Esto se compara con el caucho o la mayoría de los plásticos, que son aislantes y no conducen electricidad. Los aisladores tienen una gran brecha de banda, una brecha de energía entre las bandas de valencia y conducción, que evita que los electrones se conduzcan libremente en el material.

Entre los dos hay semiconductores, que puede funcionar como conductor y aislante. Los semiconductores tienen una banda prohibida estrecha, y la aplicación de un campo eléctrico puede provocar que los electrones salten a través del espacio. La capacidad de cambiar rápidamente entre los dos estados, "encendido" y "apagado", es la razón por la que los semiconductores son tan valiosos en microelectrónica.

"En el corazón de cualquier dispositivo semiconductor hay un material con una banda prohibida, "Dijo Koratkar." Si miras los chips y microprocesadores en los teléfonos celulares de hoy, dispositivos móviles, y computadoras, cada uno contiene una multitud de transistores hechos de semiconductores con espacios de banda. El grafeno es un material sin banda prohibida, lo que limita su utilidad. Por lo tanto, es fundamental desarrollar métodos para inducir una banda prohibida en el grafeno para convertirlo en un material semiconductor relevante ".

La simetría de la estructura reticular del grafeno ha sido identificada como una de las razones de la falta de banda prohibida del material. Koratkar exploró la idea de romper esta simetría uniendo moléculas a un solo lado del grafeno. Para hacer esto, fabricó grafeno sobre una superficie de silicio y dióxido de silicio, y luego expuso el grafeno a una cámara ambiental con humedad controlada. En la cámara moléculas de agua adsorbidas en el lado expuesto del grafeno, pero no en el lado que mira hacia el dióxido de silicio. Con la simetría rota la banda prohibida del grafeno lo hizo, Por supuesto, abrir, Dijo Koratkar. También contribuye al efecto la interacción de la humedad con los defectos en el sustrato de dióxido de silicio.

"Otros han demostrado cómo crear una banda prohibida en el grafeno adsorbiendo diferentes gases en su superficie, pero esta es la primera vez que se hace con agua, ", dijo." La ventaja de la adsorción de agua, en comparación con los gases, es que es económico, no tóxico, y mucho más fácil de controlar en una aplicación de chip. Por ejemplo, con los avances en las tecnologías de microenvases, es relativamente sencillo construir un pequeño recinto alrededor de ciertas partes o la totalidad de un chip de computadora en el que sería bastante fácil controlar el nivel de humedad ".

Según el nivel de humedad del recinto, los fabricantes de chips podrían sintonizar reversiblemente la banda prohibida del grafeno a cualquier valor de 0 a 0,2 electronvoltios, Dijo Korarkar.