Los investigadores de Columbia Engineering han demostrado experimentalmente por primera vez que es posible contactar eléctricamente un material bidimensional (2D) atómicamente delgado solo a lo largo de su borde unidimensional (1D). en lugar de contactarlo desde arriba, que ha sido el enfoque convencional. Con esta nueva arquitectura de contactos, han desarrollado una nueva técnica de ensamblaje para materiales en capas que evita la contaminación en las interfaces, y, utilizando grafeno como material modelo 2D, muestran que estos dos métodos en combinación dan como resultado el grafeno más limpio que se haya realizado hasta ahora. El estudio se publica en Ciencias el 1 de noviembre 2013.

"Este es un nuevo y emocionante paradigma en la ingeniería de materiales donde, en lugar del enfoque convencional de crecimiento capa por capa, Los materiales híbridos ahora se pueden fabricar mediante el ensamblaje mecánico de los cristales 2D constituyentes, "dice el profesor de ingeniería eléctrica Ken Shepard, coautor del artículo. "Ningún otro grupo ha podido lograr con éxito una geometría de contacto de borde puro para materiales 2D como el grafeno".

Agrega que los esfuerzos anteriores han analizado cómo mejorar los 'contactos superiores' mediante ingeniería adicional, como la adición de dopantes:"Nuestra nueva geometría de contacto de borde proporciona un contacto más eficiente que la geometría convencional sin la necesidad de un procesamiento complejo adicional. Ahora hay muchos más posibilidades en la búsqueda de aplicaciones de dispositivos y exploraciones de física fundamental ".

Aislado por primera vez en 2004, el grafeno es el material 2D mejor estudiado y ha sido objeto de miles de artículos que estudian su comportamiento eléctrico y aplicaciones de dispositivos. "Pero en casi todo este trabajo, el rendimiento del grafeno se degrada por la exposición a la contaminación, ", señala el profesor de ingeniería mecánica James Hone, quien también es coautor del estudio." Resulta que los problemas de contaminación y contacto eléctrico están relacionados. Cualquier material electrónico de alto rendimiento debe estar encapsulado en un aislante para protegerlo del medio ambiente. El grafeno carece de la capacidad de formar enlaces fuera del plano, que dificulta el contacto eléctrico a través de su superficie, pero también evita la unión a aislantes 3D convencionales como los óxidos. En lugar de, los mejores resultados se obtienen utilizando un aislante 2D, que no necesita hacer enlaces en su superficie. Sin embargo, hasta ahora no ha habido forma de acceder eléctricamente a una hoja de grafeno completamente encapsulada ".

En este trabajo, dice Cory Dean, quien dirigió la investigación como postdoctorado en Columbia y ahora es profesor asistente en The City College of New York, el equipo resolvió los problemas de contacto y contaminación a la vez. "Uno de los mayores activos de los materiales 2D como el grafeno es que, al tener un solo átomo de espesor, tenemos acceso directo a sus propiedades electrónicas. Al mismo tiempo, esta puede ser una de sus peores características, ya que hace que el material sea extremadamente sensible a su entorno. Cualquier contaminación externa degrada rápidamente el rendimiento. La necesidad de proteger el grafeno de trastornos no deseados. sin dejar de permitir el acceso eléctrico, ha sido el obstáculo más importante que ha impedido el desarrollo de tecnologías basadas en grafeno. Al hacer contacto solo con el borde 1D del grafeno, Hemos desarrollado una forma fundamentalmente nueva de unir nuestro mundo 3D a este fascinante mundo 2D, sin alterar sus propiedades inherentes. Esto prácticamente elimina la contaminación externa y finalmente permite que el grafeno muestre su verdadero potencial en los dispositivos electrónicos ".

Los investigadores encapsularon completamente la capa de grafeno 2D en un sándwich de finos cristales de nitruro de boro aislantes. empleando una nueva técnica en la que las capas de cristal se apilan una por una. "Nuestro enfoque para ensamblar estas heteroestructuras elimina por completo cualquier contaminación entre capas, "Dean explica, "lo que confirmamos mediante la sección transversal de los dispositivos y la imagen de ellos en un microscopio electrónico de transmisión con resolución atómica".

Una vez que crearon la pila, lo grabaron para exponer el borde de la capa de grafeno, y luego el metal evaporado sobre el borde para crear el contacto eléctrico. Al hacer contacto a lo largo del borde, el equipo realizó una interfaz 1D entre la capa activa 2D y el electrodo metálico 3D. Y, a pesar de que los electrones entraron solo en el borde atómico 1D de la hoja de grafeno, la resistencia de contacto fue notablemente baja, alcanzando 100 ohmios por micra de ancho de contacto, un valor menor que el que se puede lograr para los contactos en la superficie superior del grafeno.

Con las dos nuevas técnicas, la arquitectura de contacto a través del borde 1D y el método de ensamblaje de apilamiento que evita la contaminación en las interfaces, el equipo pudo producir lo que, según ellos, es el "grafeno más limpio que se haya realizado hasta ahora". A temperatura ambiente, estos dispositivos exhiben un rendimiento previamente inalcanzable, incluida la movilidad de electrones al menos dos veces más grande que cualquier sistema de electrones 2D convencional, y resistividad de la hoja inferior a 40 ohmios cuando se añaden cargas suficientes a la hoja mediante "compuerta" electrostática. Asombrosamente, esta resistencia de la hoja 2D corresponde a una resistividad 3D "en masa" más pequeña que la de cualquier metal a temperatura ambiente. A baja temperatura, los electrones viajan a través de las muestras del equipo sin dispersarse, un fenómeno conocido como transporte balístico. Transporte balístico, previamente se había observado en muestras cercanas a un micrómetro de tamaño, pero este trabajo demuestra el mismo comportamiento en muestras de hasta 20 micrómetros. "Hasta ahora, esto está limitado únicamente por el tamaño del dispositivo, "dice Dean, "lo que indica que el verdadero comportamiento 'intrínseco' es incluso mejor".

El equipo ahora está trabajando en la aplicación de estas técnicas para desarrollar nuevos materiales híbridos mediante ensamblaje mecánico y contacto de borde de materiales híbridos a partir del conjunto completo de materiales en capas 2D disponibles. incluido el grafeno, nitruro de boro, diclcogenuros de metales de transición (TMDC), óxidos de metales de transición (TMO), y aislantes topológicos (TI). "We are taking advantage of the unprecedented performance we now routinely achieve in graphene-based devices to explore effects and applications related to ballistic electron transport over fantastically large length scales, " Dean adds. "With so much current research focused on developing new devices by integrating layered 2D systems, potential applications are incredible, from vertically structured transistors, tunneling based devices and sensors, photoactive hybrid materials, to flexible and transparent electronics."

"This work results from a wide collaboration of researchers interested in both pure and applied science, " says Hone. "The unique environment at Columbia provides an unparalleled opportunity for these two communities to interact and build off one another."

The Columbia team demonstrated the first technique to mechanically layer 2D materials in 2010. These two new techniques, which are critical advancements in the field, are the result of interdisciplinary efforts by Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group) and Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group), co-lead authors on this project who worked with the groups of Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia), James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) and Cory Dean (Physics, City College of New York).