El grafeno (capa superior) es una disposición hexagonal de átomos de carbono. El nitruro de boro hexagonal es una disposición similar de átomos de boro y nitrógeno cuya constante de red es solo un 1,7 por ciento más grande. Los atributos del nitruro de boro lo convierten en un sustrato excelente para preservar las propiedades intrínsecas del grafeno.
(PhysOrg.com) - El grafeno es un panal bidimensional de carbono, solo un átomo de espesor, cuyas intrigantes propiedades electrónicas incluyen una movilidad de electrones muy alta y una resistividad muy baja. El grafeno es tan sensible a su entorno, sin embargo, que estos notables atributos pueden ser destruidos por la interferencia de materiales cercanos. Encontrar el mejor sustrato sobre el que montar el grafeno es fundamental para que los dispositivos de grafeno lleguen a ser prácticos.
Grupos liderados por Michael Crommie y Alex Zettl, científicos de la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) y profesores de física de la Universidad de California en Berkeley, han unido fuerzas para examinar los mejores candidatos a sustratos para preservar las propiedades intrínsecas del grafeno. Los resultados de su investigación sobre la interacción del grafeno con un sustrato de nitruro de boro aparecieron recientemente en Nano letras .
“Cualquier sustrato influye en las propiedades del grafeno, Entonces, si desea estudiar sus propiedades intrínsecas, la mejor manera es trabajar con grafeno suspendido, "Dice Régis Decker, ex becario postdoctoral en el grupo Crommie, ahora en la Universidad de Hamburgo, Alemania, y autor principal del informe Nano Letters. sin embargo, el grafeno suspendido es bastante inestable cuando se investiga con técnicas de sonda de barrido como la microscopía de túnel de barrido ”- STM -“ porque la membrana de grafeno puede vibrar debajo de la punta. Entonces, la idea es encontrar un sustrato que imite el caso del grafeno suspendido ".
Un grupo de la Universidad de Columbia informó:en octubre de 2010, que el grafeno soportado sobre un sustrato de nitruro de boro (BN) tenía una movilidad de electrones dramáticamente mejor que el grafeno montado sobre el sustrato semiconductor más común, dióxido de silicio (SiO 2 ).
Los investigadores depositaron escamas de nitruro de boro sobre una capa de dióxido de silicio, cultivado en una capa de silicio dopado. El silicio dopado se utilizó como electrodo de puerta para dopar el grafeno durante la microscopía de túnel de barrido. Se aplicó grafeno tanto a las escamas de nitruro de boro (debajo de la punta del STM) como al dióxido de silicio desnudo; el grafeno (oscuro y violeta claro) se conectó a tierra mediante un electrodo de oro / titanio (oro). El STM podría escanear en ambos sistemas de sustrato.
“El grupo de Columbia demostró que la movilidad de los electrones en el grafeno sobre el nitruro de boro es mucho mejor que el grafeno sobre el dióxido de silicio, pero hubo muchas preguntas que sus mediciones macroscópicas no respondieron, "Dice Yang Wang del grupo Crommie, coautor principal del informe Nano Letters. Los grupos de Crommie y Zettl compararon los dos sistemas uno al lado del otro para descubrir por qué el nitruro de boro funciona tan bien. "Para investigar BN a escala atómica, usamos STM para construir una imagen de la topografía del sistema y medir sus estados electrónicos locales".
Buscando lo que hace especial al nitruro de boro
Dice Decker, “Para que un sistema de sustrato de grafeno pueda imitar el grafeno suspendido, el sustrato necesita una gran banda prohibida electrónica y sin enlaces colgantes, para evitar cualquier cambio en la estructura electrónica del grafeno. El sustrato también debería ser muy plano, como sería el grafeno suspendido. El nitruro de boro es un buen candidato porque cumple con estos requisitos ".
Lo primero que atrajo a los investigadores al potencial del nitruro de boro como sustrato de grafeno fueron sus propiedades estructurales inusuales. En su estructura hexagonal (h-BN), Los átomos alternos de nitrógeno y boro imitan de cerca la forma en que los átomos de carbono están dispuestos en el grafeno. Los átomos de boro y nitrógeno en los compuestos BN se emparejan por igual, y juntos sus electrones de valencia (tres y cinco, respectivamente) iguales a los de un par de átomos de carbono (cuatro cada uno). Aunque la red de h-BN es un 1,7 por ciento más grande que la del grafeno y no se corresponde con ella, los dos panales colocados uno sobre el otro pueden alinearse mucho más de cerca que el grafeno sobre el dióxido de silicio. A diferencia del grafeno, que normalmente no tiene banda prohibida, h-BN tiene una amplia banda prohibida, debido a la alternancia de átomos de boro y nitrógeno en su red.
Para crear dispositivos de grafeno / BN, El grupo Zettl primero redujo los cristales de nitruro de boro a pequeñas escamas mediante el método probado y verdadero de “exfoliarlos” entre tiras de Scotch Tape. Los copos de BN se depositaron sobre una capa de SiO 2 , que se cultivó en una capa de silicio dopado que, Sucesivamente, se utilizó como un electrodo de puerta para ajustar la concentración de carga, una forma de "dopar" la capa de grafeno de arriba, durante la microscopía de túnel de barrido.
Qiong Wu, del grupo Crommie, creó el grafeno mediante deposición de vapor químico sobre el cobre; sobre cobre, Los átomos de carbono se autoensamblan en una red en forma de panal de un solo átomo de espesor. Las láminas de grafeno se transfirieron del cobre al plástico blando y luego se colocaron encima de las escamas de nitruro de boro presionando el plástico sobre el BN. Todo el conjunto fue recocido a alta temperatura.
La capa de grafeno se conectó a tierra depositando un electrodo de titanio y oro sobre ella. De esta manera se hicieron tres sistemas de grafeno / BN, listo para comparaciones STM directas con grafeno sobre dióxido de silicio. La punta de STM podría escanear a través de la capa de grafeno, medir la topografía y las concentraciones de carga local a varios niveles de dopaje determinados por el electrodo de puerta de capa de silicio.
Nitruro de boro versus dióxido de silicio
“Se pensaba que un par de cosas interferían con la movilidad de los electrones en el grafeno sobre el dióxido de silicio, ”Dice Victor Brar del grupo Crommie. "Uno son las impurezas que dopan el grafeno y alteran localmente la concentración de cargas".
Una forma segura de acortar el camino libre medio de los electrones (o sus contrapartes con carga positiva, ausencias de electrones llamadas agujeros) es sembrar el camino con obstáculos conocidos como charcos de carga, que son fluctuaciones en las concentraciones locales de carga. En grafeno sobre SiO 2, los charcos de carga son comunes.
“Anteriormente habíamos estudiado en detalle las propiedades de los sistemas de grafeno / dióxido de silicio, "Dice Michael Crommie, "Y demostró que los charcos de carga no son causados por ondulaciones o corrugaciones en la hoja de grafeno, como se había sugerido, sino más bien por impurezas debajo de la capa de grafeno ".
Los resultados de la medición de grafeno en un sustrato de nitruro de boro se muestran a la izquierda, grafeno sobre dióxido de silicio a la derecha. El STM mapeó tanto la topografía de los sistemas (atrás) como las densidades de carga locales (frente). El grafeno sobre nitruro de boro es extraordinariamente plano, y la falta de homogeneidad de los estados de carga local se reduce significativamente en comparación con el dióxido de silicio.
Una fuente de esas impurezas podría ser la materia extraña atrapada entre el grafeno y el sustrato cuando se aplica la capa de grafeno. Pequeñas burbujas de aire o moléculas de agua u otras materias extrañas podrían actuar como dopantes.
“Cuando creamos el grafeno en dispositivos de nitruro de boro, buscamos impurezas atmosféricas, pero no vimos ninguna evidencia de sus efectos, ”Dice Brar. “Para fabricar dispositivos prácticos de grafeno, eso es una buena noticia, porque significa que no tienen que ensamblarse en el vacío ".
Otra fuente de dopaje con grafeno y posteriores concentraciones de carga son los enlaces colgantes en el sustrato. Un electrón de valencia disponible para unirse con otro átomo es una receta para la reactividad química, y el dióxido de silicio tiene una alta concentración de enlaces colgantes. Nitruro de boro, sin embargo, no tiene electrones sobrantes para formar enlaces colgantes.
Las comparaciones STM de los dos sistemas mostraron vívidamente las diferencias entre ellos. Topográficamente, el grafeno sobre nitruro de boro es mucho menos rugoso que el grafeno sobre silicio, con diferencias de altura en las superficies escaneadas que alcanzan solo alrededor de 40 picómetros (billonésimas de metro). Las diferencias de altura con el sustrato de dióxido de silicio fueron hasta 30 veces mayores.
Electrónicamente, las variaciones en la densidad de carga se redujeron drásticamente en el sustrato BN. En comparación con los valores casi invariables del sistema de nitruro de boro, Los gráficos de los sistemas de dióxido de silicio se asemejan a las pinturas de campo de color del arte moderno.
Finalmente, Decker dice:“Debido a que su constante de celosía es muy cercana a la del grafeno, los teóricos predijeron que esto induce una banda prohibida en el grafeno, lo que sería interesante para las aplicaciones ”, si no fuera por mantener las propiedades intrínsecas del grafeno. El grupo Crommie investigó cómo las propiedades electrónicas pueden variar según la orientación de la hoja de grafeno sobre el sustrato de nitruro de boro. Los dos, las celosías no del todo acordes traicionaron su alineación al exhibir patrones cambiantes de muaré con diferentes orientaciones.
Dice Wang, "Vimos muchas alineaciones diferentes, incluyendo alineaciones que eran casi perfectas. Pero el grafeno aún no mostró ninguna banda prohibida ”. En resumen, cómo se orienta el grafeno sobre un sustrato de nitruro de boro no hace una diferencia detectable en sus excelentes propiedades electrónicas.
Michael Crommie dice:“El sistema de grafeno / BN es mucho más agradable que cualquier otro sustrato para una variedad de aplicaciones. Hay muchas menos impurezas, mucho menos falta de homogeneidad de la carga, mucho menos baches, y mucha más estabilidad - en total, un entorno mucho más limpio para estudiar las propiedades intrínsecas del grafeno. El nitruro de boro es un sistema realmente fabuloso para dispositivos prácticos de grafeno ".
