Bajo el microscopio de efecto túnel, el grafeno revela su estructura alveolar formada por anillos de átomos de carbono, visibles como pequeños hexágonos. Los hexágonos más grandes son el resultado de un proceso de interferencia que ocurre entre el grafeno y el nitruro de boro subyacente. La barra de escala mide un nanómetro, o una mil millonésima parte de un metro. (Imagen cortesía de Brian LeRoy / UA)
(PhysOrg.com) - Grafeno, el material que forma la mina del lápiz, "algún día podría hacer que los dispositivos electrónicos fueran más pequeños, más rápido y con mayor eficiencia energética. Proporcionando el primer análisis detallado de grafeno en nitruro de boro, un equipo de físicos dirigido por la UA ha realizado descubrimientos prometedores.
Grafeno:una hoja de átomos de carbono unidos en forma hexagonal, estructura de alambre de gallinero:es una gran promesa para la microelectrónica. Solo un átomo de espesor y altamente conductor, el grafeno podría algún día reemplazar los microchips de silicio convencionales, hacer dispositivos más pequeños, más rápido y con mayor eficiencia energética.
Además de las posibles aplicaciones en circuitos integrados, células solares, biodispositivos miniaturizados y sensores de moléculas de gas, el material ha atraído la atención de los físicos por sus propiedades únicas en la conducción de electricidad a nivel atómico.
También conocido como "mina de lápiz", "el grafeno tiene muy poca resistencia y permite que los electrones se comporten como partículas sin masa como los fotones, o partículas ligeras, mientras viaja a través de la rejilla hexagonal a velocidades muy altas.
El estudio de las propiedades físicas y posibles aplicaciones del grafeno, sin embargo, ha sufrido una falta de materiales portadores adecuados que puedan soportar una capa plana de grafeno sin interferir con sus propiedades eléctricas.
Investigadores del departamento de física de la Universidad de Arizona, junto con colaboradores del Instituto de Tecnología de Massachusetts y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, han dado un paso importante hacia la superación de esos obstáculos.
Descubrieron que al colocar la capa de grafeno en un material casi idéntico en estructura, en lugar del dióxido de silicio de uso común que se encuentra en los microchips, podrían mejorar significativamente sus propiedades electrónicas.
Sustituyendo las obleas de silicio con nitruro de boro, una estructura similar al grafeno que consta de átomos de boro y nitrógeno en lugar de átomos de carbono, el grupo fue el primero en medir la topografía y las propiedades eléctricas de la capa de grafeno suave resultante con resolución atómica.
Los resultados se publican en la publicación anticipada en línea de Materiales de la naturaleza .
"Estructuralmente, El nitruro de boro es básicamente lo mismo que el grafeno, pero electrónicamente, es completamente diferente, "dijo Brian LeRoy, profesor asistente de física y autor principal del estudio. "El grafeno es un conductor, el nitruro de boro es un aislante ".
"Queremos que nuestro grafeno se asiente sobre algo aislante, porque estamos interesados en estudiar las propiedades del grafeno solo. Por ejemplo, si quieres medir su resistencia, y lo pones sobre metal, simplemente vas a medir la resistencia del metal porque se comportará mejor que el grafeno ".
A diferencia del silicio, que se utiliza tradicionalmente en aplicaciones electrónicas, el grafeno es una sola hoja de átomos, convirtiéndolo en un candidato prometedor en la búsqueda de dispositivos electrónicos cada vez más pequeños. Piense en pasar de un libro de bolsillo a una tarjeta de crédito.
"Es tan pequeño como puedes encogerlo, "LeRoy dijo." Es una sola capa, nunca obtendrás media capa o algo así. Se podría decir que el grafeno es lo último en hacerlo pequeño, sin embargo, sigue siendo un buen director ".
Colocado sobre nitruro de boro, el grafeno muestra fluctuaciones de carga eléctrica mucho más pequeñas, se muestra en rojo y azul (izquierda) que cuando se monta en una oblea de óxido de silicio (derecha). (Imagen cortesía de Brian LeRoy / UA)
Apilados unos sobre otros 3 millones de hojas de grafeno equivaldrían a solo 1 milímetro. El material más delgado de la Tierra, el grafeno llevó el Premio Nobel de 2010 a Andre Geim y Konstantin Novoselov, quienes pudieron demostrar sus excepcionales propiedades en relación con la física cuántica.
"Con un microscopio de efecto túnel, podemos mirar los átomos y estudiarlos, ", agregó." Cuando ponemos grafeno en óxido de silicio y miramos los átomos, vemos protuberancias que tienen aproximadamente un nanómetro de altura ".
Mientras que un nanómetro, una mil millonésima parte de un metro, puede no parecer mucho, a un electrón que zumba a lo largo de una red de átomos, es un gran bache en el camino.
"Es básicamente como una hoja de papel que tiene pequeñas arrugas, "LeRoy explica." Pero si pones el papel, en este caso el grafeno, sobre nitruro de boro, es mucho más plano. Suaviza los golpes en un orden de magnitud ".
LeRoy admite que el segundo efecto logrado por su equipo de investigación es un poco más difícil de explicar.
"Cuando tienes grafeno sobre óxido de silicio, hay cargas eléctricas atrapadas dentro del óxido de silicio en algunos lugares, y estos inducen alguna carga en el grafeno suprayacente. Obtienes bastante variación en la densidad de electrones. Si el grafeno se asienta sobre nitruro de boro, la variación es dos órdenes de magnitud menor ".
En su laboratorio, LeRoy demuestra el primer paso - y sorprendentemente de baja tecnología - en la caracterización de las muestras de grafeno:coloca una pequeña escama de grafito, el material que forma la "mina" del lápiz, en cinta adhesiva. lo dobla sobre sí mismo y lo vuelve a pelar, en un proceso que recuerda a una prueba de Rorschach.
"Doblas esto por la mitad, " él explicó, "y otra vez, y otra vez, hasta que adelgace. El grafeno quiere desprenderse de estas capas, porque los enlaces entre los átomos en la capa horizontal son fuertes, pero débil entre átomos que pertenecen a diferentes capas. Cuando pones esto bajo un microscopio óptico, habrá regiones con uno, dos, Tres, cuatro o más capas. Luego, solo busca los de una sola capa con el microscopio ".
"Es difícil encontrar la muestra porque es muy, muy pequeña, "dijo Jiamin Xue, estudiante de doctorado en el laboratorio de LeRoy y autor principal del artículo. "Una vez que lo encontremos, lo colocamos entre dos electrodos de oro para que podamos medir la conductancia ".
Para medir la topografía de la superficie del grafeno, el equipo utiliza un microscopio de efecto túnel, que tiene una punta ultrafina que se puede mover.
"Movimos la punta muy cerca del grafeno, hasta que los electrones comiencen a hacer un túnel hacia él, "Explicó Xue." Así es como podemos ver la superficie. Si hay un bache, la punta se mueve un poco hacia arriba ".
Para la medición espectroscópica, Xue sostiene la punta a una distancia fija por encima de la muestra. Luego cambia el voltaje y mide cuánta corriente fluye en función de ese voltaje y de cualquier punto dado a través de la muestra. Esto le permite trazar diferentes niveles de energía en la muestra.
"Quieres un aislante lo más fino posible, "Añadió LeRoy." La idea inicial era elegir algo plano pero aislante. Debido a que el nitruro de boro tiene esencialmente la misma estructura que el grafeno, puedes pelarlo en capas de la misma manera. Por lo tanto, usamos un metal como base, ponle una fina capa de nitruro de boro y luego grafeno encima ".
