Cuando una hoja de grafeno se asienta sobre una hoja de nitruro de boro en ángulo, emerge un patrón hexagonal secundario que determina cómo fluyen los electrones a través de la muestra. Crédito:Brian LeRoy
(PhysOrg.com) - Los físicos de la Universidad de Arizona están haciendo descubrimientos que pueden hacer avanzar la tecnología de circuitos electrónicos.
Grafito, más comúnmente conocido como mina de lápiz, podría convertirse en el próximo gran avance en la búsqueda de dispositivos electrónicos más pequeños y que consuman menos energía.
Parecido a una malla de gallinero a nanoescala, el grafeno, hojas individuales de grafito, tiene solo un átomo de espesor, convirtiéndolo en el material más delgado del mundo. Dos millones de hojas de grafeno apiladas no serían tan gruesas como una tarjeta de crédito.
La parte complicada que los físicos aún tienen que descubrir cómo controlar el flujo de electrones a través del material, un requisito previo necesario para su puesta en funcionamiento en cualquier tipo de circuito electrónico. El grafeno se comporta de manera muy diferente al silicio, el material utilizado actualmente en semiconductores.
El año pasado, un equipo de investigación dirigido por físicos de la UA superó el primer obstáculo al identificar el nitruro de boro, un material estructuralmente idéntico pero no conductor, como superficie de montaje adecuada para láminas de grafeno de un solo átomo. El equipo también demostró que además de brindar soporte mecánico, El nitruro de boro mejora las propiedades electrónicas del grafeno al suavizar las fluctuaciones en las cargas electrónicas.
Ahora, el equipo descubrió que el nitruro de boro también influye en la forma en que los electrones viajan a través del grafeno. Publicado en Física de la naturaleza , los resultados abren nuevas formas de controlar el flujo de electrones a través del grafeno.
"Si quieres hacer un transistor, por ejemplo, necesitas poder detener el flujo de electrones, "dijo Brian LeRoy, profesor asistente en el departamento de física de la Universidad de Arizona. "Pero en el grafeno, los electrones simplemente continúan. Es difícil detenerlos ".
LeRoy dijo que los efectos relativistas de la mecánica cuántica que entran en juego a escalas atómicas hacen que los electrones se comporten de manera que van en contra de nuestras experiencias cotidianas de cómo deberían comportarse los objetos.
Toma pelotas de tenis por ejemplo.
Los miembros del laboratorio Matthew Yankowitz, Daniel Cormode y Brian LeRoy (de izquierda a derecha) utilizan un microscopio de efecto túnel para hacer visibles las estructuras atómicas de las láminas de grafeno. Crédito:Beatriz Verdugo / UANews
"Normalmente, cuando lanzas una pelota de tenis contra una pared, rebota, "LeRoy dijo." Ahora piense en los electrones como pelotas de tenis. Con efectos de la mecánica cuántica, existe la posibilidad de que la pelota atraviese y termine en el otro lado. En grafeno, la pelota pasa el 100 por ciento del tiempo ".
Este extraño comportamiento hace que sea difícil controlar a dónde van los electrones en el grafeno. Sin embargo, como ha descubierto ahora el grupo de LeRoy, montar grafeno en nitruro de boro evita que algunos de los electrones pasen al otro lado, un primer paso hacia un flujo de electrones más controlado.
El grupo logró esta hazaña colocando láminas de grafeno sobre nitruro de boro en ciertos ángulos, dando como resultado que las estructuras hexagonales en ambos materiales se superpongan de tal manera que secundaria, Se crean patrones hexagonales más grandes. Los investigadores llaman a esta estructura una superrejilla.
Si el ángulo es el correcto, ellos encontraron, se llega a un punto donde casi no pasan electrones.
"Se podría decir que creamos agujeros en la pared, "LeRoy dijo, "y tan pronto como la pared tenga agujeros, nos encontramos con que algunas de las pelotas de tenis ya no pasan. Es lo contrario de lo que cabría esperar. Eso te muestra lo extraño que es esto. Todo se debe a esos efectos cuánticos relativistas ".
El descubrimiento acerca la tecnología un poco más a que algún día pueda controlar realmente el flujo de electrones a través del grafeno. dijeron los autores del artículo.
"El efecto depende del tamaño del patrón hexagonal resultante de las hojas superpuestas, "explicó Matthew Yankowitz, estudiante de primer año de posgrado en el laboratorio de LeRoy y autor principal del estudio.
El patrón, él explicó, crea una modulación periódica del potencial:imagínese una bola rodando por un cartón de huevos.
"Es un efecto puramente electrónico provocado por la estructura de los dos materiales y cómo se colocan uno encima del otro, ", Dijo Yankowitz." Es similar al patrón de Moiré que ves cuando alguien usa una camisa a rayas en la televisión ".
A partir de ahora, los investigadores aún no pueden controlar cómo el grafeno y el nitruro de boro terminan orientados entre sí cuando combinan los dos materiales. Por lo tanto, hacen muchas muestras y controlan la estructura de cada una con un microscopio electrónico.
"Con nuestro microscopio de túnel de barrido, podemos obtener una imagen de cada superrejilla y medir su tamaño, ", Dijo Yankowitz." Tomamos una foto y vemos cómo se ve el patrón. Si el patrón hexagonal es demasiado pequeño, las muestras no son buenas y las desechamos ".
Yankowitz dijo que alrededor del 10 al 20 por ciento de las muestras mostraron el efecto deseado.
Si algún día es posible automatizar este proceso, La microelectrónica basada en grafeno podría estar en camino de impulsarnos desde la era del silicio a la era del grafeno.
El estudio de investigación es una colaboración entre el laboratorio de LeRoy y los investigadores del MIT en Cambridge, Masa., el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales en Tsukuba, Japón y la Universidad de Ginebra, Suiza. La parte UA del proyecto fue financiada por subvenciones de la Oficina de Investigación del Ejército de los EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias.
