Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto un nuevo giro único en la historia del grafeno. hojas de carbono puro de un solo átomo de espesor, y en el proceso parece haber resuelto un misterio que ha frenado el desarrollo de dispositivos.

Los electrones pueden correr a través del grafeno a casi la velocidad de la luz, 100 veces más rápido de lo que se mueven a través del silicio. Además de ser superdelgado y superrápido en lo que respecta a la conducción de electrones, el grafeno también es superfuerte y superflexible, convirtiéndolo en un potencial material superestrella en los campos de la electrónica y la fotónica, la base de una gran cantidad de dispositivos, comenzando con transistores ultrarrápidos. Un gran problema sin embargo, ha sido que la conducción de electrones del grafeno no se puede detener por completo, un requisito esencial para los dispositivos de encendido / apagado.

El problema de encendido / apagado se debe a que las monocapas de grafeno no tienen banda prohibida, rangos de energía en los que no pueden existir estados de electrones. Sin banda prohibida no hay forma de controlar o modular la corriente de electrones y, por lo tanto, no hay forma de realizar plenamente la enorme promesa del grafeno en los dispositivos electrónicos y fotónicos. Los investigadores de Berkeley Lab han podido diseñar bandgaps controlados con precisión en grafeno bicapa mediante la aplicación de un campo eléctrico externo. Sin embargo, cuando los dispositivos se hicieron con estos bandgaps diseñados, los dispositivos se comportaron de manera extraña, como si la conducción en esos bandgaps no se hubiera detenido. Por qué estos dispositivos no funcionaron ha sido un misterio científico hasta ahora.

Trabajando en Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, una instalación de usuario nacional del DOE, un equipo de investigación dirigido por el científico de ALS Aaron Bostwick ha descubierto que en el apilamiento de monocapas de grafeno surgen desalineaciones sutiles, creando un giro casi imperceptible en el grafeno bicapa final. Tan pequeño como es, tan pequeño como 0,1 grados, este giro puede conducir a cambios sorprendentemente fuertes en las propiedades electrónicas del grafeno bicapa.

"La introducción del twist genera una estructura electrónica completamente nueva en el grafeno bicapa que produce fermiones Dirac masivos y sin masa, "dice Bostwick." La rama de fermión de Dirac sin masa producida por esta nueva estructura evita que el grafeno bicapa se vuelva completamente aislante incluso bajo un campo eléctrico muy fuerte. Esto explica por qué el grafeno bicapa no ha estado a la altura de las predicciones teóricas en dispositivos reales que se basaban en grafeno bicapa perfecto o sin torsión ".

Bostwick es el autor correspondiente de un artículo que describe esta investigación en la revista Materiales de la naturaleza titulado "Fermiones de Dirac masivos y sin masa coexistentes en grafeno bicapa con simetría rota". Keun Su Kim, del Instituto Fritz Haber de Berlín, es el autor principal. Otros coautores son Andrew Walter, Luca Moreschini, Thomas Seyller, Cuerno de Karsten, y Eli Rotenberg, que supervisa la investigación en ALS Beamline 7.0.1.

Las monocapas de grafeno no tienen banda prohibida, rangos de energía en los que no pueden existir estados de electrones. Sin banda prohibida no hay forma de controlar o modular la corriente de electrones y, por lo tanto, no hay forma de realizar plenamente la enorme promesa del grafeno en los dispositivos electrónicos y fotónicos. Los investigadores de Berkeley Lab han podido diseñar bandgaps controlados con precisión en grafeno bicapa mediante la aplicación de un campo eléctrico externo. Sin embargo, cuando los dispositivos se hicieron con estos bandgaps diseñados, los dispositivos se comportaron de manera extraña, como si la conducción en esos bandgaps no se hubiera detenido.

Para llegar al fondo de este misterio Rotenberg, Bostwick, Kim y sus coautores realizaron una serie de experimentos de espectroscopía de fotoemisión de resolución angular (ARPES) en la línea de luz de ALS 7.0.1. ARPES es una técnica para estudiar los estados electrónicos de un material sólido en la que un haz de fotones de rayos X que incide en la superficie del material provoca la fotoemisión de electrones. A continuación, se miden la energía cinética de estos fotoelectrones y los ángulos en los que se expulsan para obtener un espectro electrónico.

"La combinación de ARPES y Beamline 7.0.1 nos permitió identificar fácilmente el espectro electrónico de la torsión en el grafeno bicapa, "dice Rotenberg." El espectro que observamos fue muy diferente de lo que se había asumido y contiene ramas adicionales que consisten en fermiones de Dirac sin masa. Estos nuevos fermiones de Dirac sin masa se mueven de una manera completamente inesperada gobernada por las capas retorcidas de simetría ".

Fermiones de Dirac sin masa, electrones que esencialmente se comportan como si fueran fotones, no están sujetos a las mismas restricciones de banda prohibida que los electrones convencionales. En su Materiales de la naturaleza papel, Los autores afirman que los giros que generan este espectro de fermiones de Dirac sin masa pueden ser casi inevitables en la fabricación de grafeno bicapa y pueden introducirse como resultado de sólo diez inadaptados atómicos en una micra cuadrada de grafeno bicapa.

"Ahora que entendemos el problema, podemos buscar soluciones, "dice el autor principal Kim". Por ejemplo, podemos intentar desarrollar técnicas de fabricación que minimicen los efectos de torsión, o reducir el tamaño del grafeno bicapa que fabricamos para que tengamos más posibilidades de producir material localmente puro ".

Más allá de resolver un misterio de grafeno bicapa, Kim y sus colegas dicen que el descubrimiento del giro establece un nuevo marco en el que se pueden predecir con mayor precisión varias propiedades fundamentales del grafeno bicapa.

"Una lección aprendida aquí es que incluso una distorsión estructural tan pequeña de los materiales a escala atómica no debe descartarse al describir las propiedades electrónicas de estos materiales de manera completa y precisa, "Dice Kim.