Las regiones rojas representan pliegues en grafeno, mientras que las regiones verdes son dominios relativamente planos. Las "colinas y valles" presentes en la nube de electrones pueden actuar como reductores de velocidad que impiden el flujo de carga a través del grafeno. Idealmente, para electrónica de alto rendimiento, uno quisiera una topografía del medio oeste:completamente plana, que aparecería todo verde. Crédito:Brian J. Schultz y Christopher J. Patridge, Universidad de Buffalo
Un equipo de investigación dirigido por químicos de la Universidad de Buffalo ha utilizado fuentes de luz de sincrotrón para observar las nubes de electrones en la superficie del grafeno. produciendo una serie de imágenes que revelan cómo los pliegues y ondulaciones en el notable material pueden dañar su conductividad.
La investigación, programado para aparecer el 28 de junio en Nature Communications, fue realizado por UB, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Fundición Molecular en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), y SEMATECH, un consorcio mundial de fabricantes de semiconductores.
Grafeno el material más delgado y resistente conocido por el hombre, Consiste en una sola capa de átomos de carbono enlazados en una disposición en forma de panal.
La estructura especial del grafeno lo hace increíblemente conductor:en circunstancias ideales, cuando el grafeno es completamente plano, las cargas eléctricas lo atraviesan sin encontrar muchos obstáculos, dijo Sarbajit Banerjee, uno de los investigadores de la UB que dirigió el estudio en Comunicaciones de la naturaleza .
Pero las condiciones no siempre son óptimas.
Las nuevas imágenes que capturaron Banerjee y sus colegas muestran que cuando el grafeno se dobla o se dobla, la nube de electrones que recubre su superficie también se deforma, lo que dificulta el paso de una carga eléctrica.
"Cuando el grafeno es plano, las cosas simplemente como costa a lo largo de la nube. No tienen que atravesar nada. Es como una superautopista "dijo Banerjee, un profesor asistente de química. "Pero si lo doblas, ahora hay algunos obstáculos; imagine la diferencia entre una carretera recién pavimentada y una con obras de construcción a lo largo que obligan a cambiar de carril.
"Cuando obtuvimos imágenes de la nube de electrones, puedes imaginar esta gran almohada mullida, y vimos que la almohada se dobla aquí y allá, "dijo Banerjee, cuyo premio CAREER de la National Science Foundation proporcionó el financiamiento principal para el proyecto.
Para crear las imágenes y comprender los factores que perturban la nube de electrones, Banerjee y sus socios emplearon dos técnicas que requerían el uso de un sincrotrón:microscopía de rayos X de transmisión de barrido y estructura fina de absorción de rayos X cerca del borde (NEXAFS), un tipo de espectroscopia de absorción. Los experimentos fueron respaldados por simulaciones por computadora realizadas en clústeres de computación en Berkeley Lab.
Las líneas punteadas muestran regiones distintivas de grafeno que están inclinadas en diferentes ángulos. Los rayos X suaves pintan una vista de pájaro de la nube de electrones de grafeno. Crédito:Brian J. Schultz, Universidad de Buffalo
"Usando simulaciones, podemos comprender mejor las mediciones que hicieron nuestros colegas mediante rayos X, y predecir mejor cómo los cambios sutiles en la estructura del grafeno afectan sus propiedades electrónicas, "dijo David Prendergast, un científico de planta en la Teoría de Nanoestructuras Facility en Molecular Foundry en Berkeley Lab. "Vimos que las regiones de grafeno se inclinaban en diferentes ángulos, como mirar hacia los techos inclinados de muchas casas apiñadas ".
Además de documentar cómo los pliegues del grafeno distorsionan su nube de electrones, el equipo de investigación descubrió que los contaminantes que se adhieren al grafeno durante el procesamiento permanecen en los valles donde el material es desigual. Tales contaminantes distorsionan de manera única la nube de electrones, cambiando la fuerza con la que la nube se une a los átomos subyacentes.
Las propiedades inusuales del grafeno han generado entusiasmo en industrias como la informática, energía y defensa. Los científicos dicen que la conductividad eléctrica del grafeno coincide con la del cobre, y que la conductividad térmica del grafeno es la mejor de cualquier material conocido.
Pero lo nuevo Un estudio dirigido por la UB sugiere que las empresas que esperan incorporar grafeno en productos como tintas conductoras, Los transistores ultrarrápidos y los paneles solares podrían beneficiarse de una investigación más básica sobre el nanomaterial. Los procesos mejorados para transferir láminas planas de grafeno a productos comerciales podrían aumentar en gran medida la eficiencia de esos productos.
"Mucha gente sabe cómo cultivar grafeno, pero no se comprende bien cómo transferirlo a algo sin que se doble sobre sí mismo, "Banerjee dijo." Es muy difícil mantenerse recto y plano, y nuestro trabajo realmente está demostrando por qué eso es tan importante ".
"El grafeno será muy importante en la electrónica, "dijo el candidato a doctorado Brian Schultz, uno de los tres estudiantes de posgrado de la UB que fueron autores principales de la Comunicaciones de la naturaleza papel. "Va a ser uno de los materiales más conductores jamás encontrados, y tiene la capacidad de ser utilizado como un transistor de frecuencia ultra alta o como un posible reemplazo de chips de silicio, la columna vertebral de la electrónica comercial actual.
"Cuando se descubrió el grafeno, la gente estaba tan emocionada de que fuera un material tan bueno que la gente realmente quería seguirlo y correr lo más rápido posible, Schultz continuó. "Pero lo que estamos demostrando es que realmente hay que hacer una investigación fundamental antes de comprender cómo procesarlo y cómo incorporarlo a la electrónica".
