(Phys.org) - Los investigadores observaron el grafeno por primera vez en 2004 extrayendo las hojas de carbono de un solo átomo de espesor del grafito a granel. Si bien las propiedades eléctricas y ópticas del grafeno han demostrado tener un potencial extraordinario para muchas aplicaciones, La creación de estructuras atómicamente precisas a partir de grafeno sigue siendo un desafío. En un esfuerzo por mejorar la usabilidad del grafeno, Los científicos han estado buscando una forma de fabricar grafeno artificial, que podría servir como una estructura útil donde los dispositivos se pueden probar fácilmente antes de su implementación con grafeno natural. Ahora en un nuevo estudio, Los científicos han identificado todos los criterios principales necesarios para producir grafeno artificial, lo que podría proporcionar una guía para la realización experimental del material.

El equipo de científicos, de instituciones de la República Checa, Francia, Canadá, y los Estados Unidos, ha publicado su artículo sobre la creación de grafeno artificial en un número reciente de la Nueva Revista de Física .

"El atractivo concepto de grafeno artificial apareció poco después de que se fabricara el grafeno" real ", ”El coautor Lukas Nádvorník de la Universidad Charles y el Instituto de Física, ASCR, ambos en Praga, República Checa, dicho Phys.org . "Este concepto sugiere aprovechar los semiconductores bidimensionales de alta calidad, que hoy en día están disponibles de forma rutinaria, y para fabricar sobre su base un nuevo cristal con una celosía de panal de abeja creada "artificialmente", típico del grafeno. En otras palabras, utilizar las tecnologías actuales para imitar la naturaleza ".

Aunque los investigadores han estado intentando fabricar grafeno artificial durante los últimos años, nadie lo ha logrado todavía. Aquí, identificando todos los requisitos más importantes, los científicos esperan cambiar eso.

"Por primera vez, pudimos extraer todos los parámetros relevantes para el grafeno artificial y sugerir su combinación adecuada, que debería conducir a la realización exitosa de este sistema, ”Dijo el coautor Milan Orlita de la Universidad Charles, el Instituto de Física, ASCR, y el Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses en Grenoble, Francia. "Esto es útil para nuestro trabajo futuro, pero también otros grupos que trabajan en este campo podrían beneficiarse de esto. Nuestro trabajo no representa un hito real en el grafeno artificial; sin embargo, creemos que se ha dado un paso importante hacia su fabricación ”.

Los investigadores agregaron que la fabricación experimental de grafeno artificial en el futuro será un desafío, pero factible.

“No vemos ningún obstáculo principal que impida la fabricación de grafeno artificial, pero tecnológicamente, es un tema bastante complicado, ”Dijo el coautor Karel Výborný del Instituto de Física, ASCR, y la Universidad de Buffalo-SUNY en Buffalo, Nueva York. "Uno tiene que encontrar una combinación adecuada de una serie de parámetros finos, como la densidad de portadores, fuerza del potencial de modulación, constante de celosía, etc. Nuestro trabajo es probablemente el primero que aborda el problema de forma sistemática y compara cuantitativamente los resultados experimentales con los criterios formulados teóricamente ”.

El grafeno artificial tiene ciertas ventajas sobre el grafeno natural, como una estructura cristalina cuya forma se puede variar. Como explicaron los investigadores, la estructura cristalina del grafeno natural es fija:consiste en una celosía de panal perfecta con una distancia de carbono a carbono de 0,142 nanómetros. A diferencia de, grafeno artificial preparado a partir de semiconductores multicapas (por ejemplo, mediante litografía por haz de electrones) no está restringida por una forma de rejilla precisa o una constante de rejilla precisa.

"También es relativamente fácil fabricar dispositivos" específicos, ' es decir., grafeno artificial en forma de rayas, uniones, etc., ”Dijo Nádvorník. "Con grafeno natural, es difícil (¡aunque no imposible!) crear estructuras atómicamente precisas. Uno podría probar estos "dispositivos" primero con grafeno artificial y, si resultan útiles, intentar reproducirlos con grafeno natural ".

Nádvorník explicó que los investigadores llevan mucho tiempo intentando crear varios tipos de cristales artificiales para explorar su mecánica cuántica. pero lo que hace que el grafeno sea único es el comportamiento de sus electrones, llamados fermiones de Dirac.

“Fabricación de superredes bidimensionales con constantes de celosía de alrededor de 100 nanómetros (menos de una centésima parte del grosor de un cabello humano), del cual el grafeno artificial es un ejemplo, se remonta a la década de 1990, " él dijo. “Lo que no se notó en aquellos tiempos fueron los fermiones de Dirac, una característica especial del grafeno artificial. En nuestro trabajo, establecemos claramente cuatro criterios que uno debe cumplir para observar los fermiones de Dirac en una estructura semiconductora hecha por el hombre. Mas o menos, mientras que la carrera ha estado en marcha desde 2009 para observar alguna manifestación de los fermiones de Dirac en el grafeno artificial, mostramos cómo probar los criterios individuales por separado. Cuando se cumplen todos los criterios, podemos esperar observar los fermiones de Dirac ".

Explicó que los fermiones de Dirac no solo hacen que el grafeno sea lo que es, pero también proporciona información sobre otras áreas de la física.

"Es solo la simetría hexagonal la responsable de la aparición de los fermiones de Dirac, ”Dijo Nádvorník. “Estos son electrones que se mueven en cristales de grafeno (artificiales) con una masa efectiva que se desvanece. Se parecen mucho a partículas ultrarrelativistas y su movimiento puede ser, quizás sorprendentemente, descrito utilizando ecuaciones típicas de la física relativista. Los fermiones de Dirac en grafeno (no importa si es grafeno artificial o real) interconectan la física del estado sólido y la electrodinámica cuántica relativista, dos ramas muy diferentes de la física moderna ".

En el futuro, los investigadores planean dar los siguientes pasos hacia la realización experimental de grafeno artificial.

“Una de las conclusiones de nuestro trabajo es que una forma viable de crear grafeno artificial es reducir aún más la constante de red (periodicidad del potencial aplicado) a decenas de nanómetros, ”Dijo Nádvorník. "Lograr esto, planeamos aplicar la litografía por haz de electrones con resoluciones aún más altas que las que usamos hasta ahora, o aproveche la tecnología de haz de iones enfocados. Esperamos poder proporcionar pruebas de los fermiones de Dirac en grafeno artificial utilizando una amplia gama de técnicas experimentales disponibles (infrarrojo / THz o espectroscopia visible o transporte electrónico) ".

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