Usando cintas de grafeno de anchos inimaginablemente pequeños, de solo varios átomos de ancho, un grupo de investigadores de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee (UWM) ha encontrado una forma novedosa de "sintonizar" el material maravilloso. haciendo que el conductor de electricidad extremadamente eficiente actúe como semiconductor.

En principio, su método para producir estas cintas estrechas, con un ancho aproximadamente igual al diámetro de una hebra de ADN humano, y manipular la conductividad eléctrica de las cintas podría usarse para producir nanodispositivos.

Grafeno una hoja de átomos de carbono de un átomo de espesor, se promociona por su alto potencial para producir dispositivos a nanoescala y entregar computación a velocidad cuántica. Pero antes de que pueda aplicarse a la nanotecnología, Los investigadores primero deben encontrar un método fácil de controlar el flujo de electrones para poder idear incluso un simple interruptor de encendido y apagado.

"Las nanocintas son sistemas modelo para estudiar los efectos a nanoescala en el grafeno, pero obtener un ancho de cinta por debajo de 10 nanómetros y caracterizar su estado electrónico es bastante desafiante, "dice Yaoyi Li, investigador postdoctoral en física de la UWM y primer autor de un artículo publicado el 2 de julio en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Al obtener imágenes de las cintas con microscopía de túnel de barrido, Los investigadores han confirmado cuán estrecho debe ser el ancho de la cinta para alterar las propiedades eléctricas del grafeno. haciéndolo más sintonizable.

"Descubrimos que la transición ocurre a tres nanómetros y los cambios son abruptos, "dice Michael Weinert, un físico teórico de la UWM que trabajó en el proyecto apoyado por el Departamento de Energía con el físico experimental Lian Li. "Antes de este estudio, no hubo evidencia experimental de la amplitud del inicio de estos comportamientos ".

El equipo también descubrió que cuanto más estrecha se vuelve la cinta, cuanto más "sintonizable" sea el comportamiento del material. Los dos bordes de una cinta tan estrecha pueden interactuar fuertemente, esencialmente transformando la cinta en un semiconductor con cualidades sintonizables similares a las del silicio.

El primer obstáculo

Los métodos actuales de corte pueden producir anchos de cinta de cinco nanómetros de ancho, todavía demasiado ancho para lograr el estado sintonizable, dice Yaoyi Li. Además de producir cintas más estrechas, cualquier nueva estrategia de corte que ideen también tendría que resultar en una alineación recta de los átomos en los bordes de la cinta para mantener las propiedades eléctricas, él añade.

Entonces, el equipo de UWM usó nanopartículas de hierro sobre el grafeno en un entorno de hidrógeno. El hierro es un catalizador que hace que reaccionen los átomos de hidrógeno y carbono, creando un gas que graba una zanja en el grafeno. El corte se logra controlando con precisión la presión de hidrógeno, dice Lian Li.

La nanopartícula de hierro se mueve aleatoriamente a través del grafeno, producir cintas de varios anchos, incluidas algunas tan delgadas como un nanómetro, él dice. El método también produce bordes con átomos correctamente alineados.

Existe una limitación para el método de corte del equipo, y eso tiene que ver con donde se cortan los bordes. Los átomos del grafeno están dispuestos en una red en forma de panal que, dependiendo de la dirección del corte produce un borde en "forma de sillón" o uno en "zigzag". Los comportamientos semiconductores que los investigadores observaron con su método de grabado solo ocurrirán con un corte en la configuración en zigzag.

Manipulando para funcionar

Cuando se corta, los átomos de carbono en los bordes de las cintas resultantes tienen solo dos de los tres vecinos normales, creando una especie de enlace que atrae átomos de hidrógeno y acorrala electrones a los bordes de la cinta. Si la cinta es lo suficientemente estrecha, los electrones en lados opuestos todavía pueden interactuar, creando un comportamiento eléctrico semiconductor, dice Weinert.

Los investigadores ahora están experimentando saturando los bordes con oxígeno, en lugar de hidrógeno, para investigar si esto cambia el comportamiento eléctrico del grafeno al de un metal.

Agregar función a las nanocintas de grafeno a través de este proceso podría hacer posible el objetivo buscado de componentes a escala atómica hechos del mismo material. pero con diferentes comportamientos eléctricos, dice Weinert.