El uso de electrones más como fotones podría proporcionar la base para un nuevo tipo de dispositivo electrónico que capitalizaría la capacidad del grafeno para transportar electrones casi sin resistencia incluso a temperatura ambiente, una propiedad conocida como transporte balístico.

La investigación informada esta semana muestra que la resistencia eléctrica en nanocintas de grafeno epitaxial cambia en pasos discretos siguiendo principios de la mecánica cuántica. La investigación muestra que las nanocintas de grafeno actúan más como guías de ondas ópticas o puntos cuánticos. permitiendo que los electrones fluyan suavemente a lo largo de los bordes del material. En conductores ordinarios como el cobre, La resistencia aumenta en proporción a la longitud a medida que los electrones encuentran cada vez más impurezas mientras se mueven a través del conductor.

Las propiedades de transporte balístico, similares a los observados en nanotubos de carbono cilíndricos, superan las predicciones teóricas de conductancia para el grafeno en un factor de 10. Las propiedades se midieron en nanocintas de grafeno de aproximadamente 40 nanómetros de ancho que habían crecido en los bordes de estructuras tridimensionales grabadas en obleas de carburo de silicio.

"Este trabajo muestra que podemos controlar los electrones del grafeno de formas muy diferentes porque las propiedades son realmente excepcionales". "dijo Walt de Heer, un profesor de Regent en la Escuela de Física del Instituto de Tecnología de Georgia. "Esto podría resultar en una nueva clase de dispositivos electrónicos coherentes basados ​​en el transporte balístico a temperatura ambiente en el grafeno. Tales dispositivos serían muy diferentes de los que fabricamos hoy en día con silicio".

La investigación, que fue apoyado por la National Science Foundation, la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea y el W.M. Fundación Keck, fue reportado el 5 de febrero en la revista Naturaleza . La investigación se realizó a través de una colaboración de científicos de Georgia Tech en los Estados Unidos, Leibniz Universität Hannover en Alemania, el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) en Francia y el Laboratorio Nacional Oak Ridge en los Estados Unidos.

Durante casi una década, Los investigadores han intentado utilizar las propiedades únicas del grafeno para crear dispositivos electrónicos que funcionen de forma muy similar a los chips semiconductores de silicio existentes. Pero esos esfuerzos han tenido un éxito limitado porque el grafeno, una red de átomos de carbono que puede tener un grosor de una capa, no puede recibir fácilmente la banda prohibida electrónica que estos dispositivos necesitan para funcionar.

De Heer sostiene que los investigadores deberían dejar de intentar usar grafeno como el silicio, y en su lugar utiliza sus propiedades únicas de transporte de electrones para diseñar nuevos tipos de dispositivos electrónicos que podrían permitir una computación ultrarrápida, basada en un nuevo enfoque de conmutación. Los electrones de las nanocintas de grafeno pueden moverse decenas o cientos de micrones sin dispersarse.

"Esta resistencia constante está relacionada con una de las constantes fundamentales de la física, el cuanto de conductancia, ", dijo De Heer." La resistencia de este canal no depende de la temperatura, y no depende de la cantidad de corriente que le esté pasando ".

¿Qué interrumpe el flujo de electrones, sin embargo, está midiendo la resistencia con una sonda eléctrica. Las mediciones mostraron que tocar las nanocintas con una sola sonda duplica la resistencia; tocarlo con dos sondas triplica la resistencia.

"Los electrones golpean la sonda y se dispersan, ", explicó De Heer." Es muy parecido a un arroyo en el que el agua fluye bien hasta que pones rocas en el camino. Hemos realizado estudios sistemáticos para demostrar que cuando se tocan las nanocintas con una sonda, introduces un método para que los electrones se dispersen, y eso cambia la resistencia ".

Las nanocintas se cultivan epitaxialmente en obleas de carbono de silicio en las que se han grabado patrones utilizando técnicas de fabricación microelectrónica estándar. Cuando las obleas se calientan a aproximadamente 1, 000 grados Celsius, el silicio se expulsa preferentemente a lo largo de los bordes, formando nanocintas de grafeno cuya estructura está determinada por el patrón de la superficie tridimensional. Una vez crecido, las nanocintas no requieren procesamiento adicional.

La ventaja de fabricar nanocintas de grafeno de esta manera es que produce bordes perfectamente lisos. recocido por el proceso de fabricación. Los bordes lisos permiten que los electrones fluyan a través de las nanocintas sin interrupción. Si se utilizan técnicas de grabado tradicionales para cortar nanocintas de láminas de grafeno, los bordes resultantes son demasiado rugosos para permitir el transporte balístico.

"Parece que la corriente fluye principalmente por los bordes, ", dijo de Heer." Hay otros electrones en la mayor parte de las nanocintas, pero no interactúan con los electrones que fluyen en los bordes ".

Los electrones en el borde fluyen más como fotones en fibra óptica, ayudándoles a evitar la dispersión. "Estos electrones realmente se comportan más como la luz, ", dijo." Es como la luz que atraviesa una fibra óptica. Debido a la forma en que se fabrica la fibra, la luz se transmite sin dispersarse ".

Las mediciones de movilidad de electrones que superan el millón corresponden a una resistencia laminar de un ohmio por cuadrado que es dos órdenes de magnitud más baja que la observada en el grafeno bidimensional, y diez veces más pequeña que las mejores predicciones teóricas para el grafeno.

"Esto debería permitir una nueva forma de hacer electrónica, ", dijo de Heer." Ya somos capaces de dirigir estos electrones y podemos cambiarlos usando medios rudimentarios. Podemos poner un obstáculo y luego ábralo de nuevo. Ahora hay en el horizonte nuevos tipos de interruptores para este material ".

Las explicaciones teóricas de lo que han medido los investigadores son incompletas. De Heer especula que las nanocintas de grafeno pueden estar produciendo un nuevo tipo de transporte electrónico similar a lo que se observa en los superconductores.

"Hay mucha física fundamental que se debe hacer para comprender lo que estamos viendo, ", agregó." Creemos que esto muestra que existe una posibilidad real de un nuevo tipo de electrónica basada en grafeno ".

Los investigadores de Georgia Tech han sido pioneros en la electrónica basada en grafeno desde 2001, por el que tienen una patente, presentada en 2003. La técnica implica grabar patrones en obleas de carburo de silicio de grado electrónico, luego calentar las obleas para eliminar el silicio, dejando patrones de grafeno.