Carbyne pasa de ser un metal a un semiconductor cuando se estira, según cálculos de científicos de la Universidad de Rice. Tirar de los extremos obligaría a los átomos a separarse en pares, abriendo una brecha de banda. La cadena de átomos de carbono individuales sería, en teoría, el material más fuerte de todos los tiempos si pudiera fabricarse de manera confiable. Crédito:Vasilii Artyukhov / Rice University
(Phys.org) —Aplicar la cantidad justa de tensión a una cadena de átomos de carbono puede convertirla de un conductor metálico en un aislante, según los científicos de la Universidad de Rice.
Estirar el material conocido como carbeno, un material difícil de fabricar Cadena unidimensional de átomos de carbono:con solo un 3 por ciento puede comenzar a cambiar sus propiedades de formas que los ingenieros podrían encontrar útiles para la electrónica y la óptica a nanoescala activadas mecánicamente.
El hallazgo del físico teórico de Rice Boris Yakobson y sus colegas aparece en la revista American Chemical Society Nano letras .
Hasta hace poco, carbyne ha existido principalmente en teoría, aunque los experimentales han hecho algunos avances en la creación de pequeñas muestras del material delicado. Teóricamente, la cadena de carbono sería el material más fuerte de todos los tiempos, si tan solo alguien pudiera hacerlo de manera confiable.
Los cálculos del primer principio de Yakobson y sus coautores, El investigador postdoctoral de Rice Vasilii Artyukhov y el estudiante graduado Mingjie Liu, muestran que el estiramiento de las cadenas de carbono activa la transición de conductor a aislante al ensanchar la brecha de banda del material. Brechas de banda, que los electrones libres deben superar para completar un circuito, dan a los materiales las propiedades semiconductoras que hacen posible la electrónica moderna.
En su trabajo anterior sobre carbino, los investigadores creyeron haber visto indicios de la transición, pero tuvieron que profundizar más para descubrir que el estiramiento convertiría efectivamente el material en un interruptor.
Las cadenas de carbono de los átomos de carbono pueden ser metálicas o semiconductoras, según los cálculos del primer principio realizados por científicos de la Universidad de Rice. Estirar la cadena dimeriza los átomos, abriendo una banda prohibida entre los pares. Crédito:Vasilii Artyukhov / Rice University
Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones disponibles para formar enlaces covalentes. En su estado relajado, los átomos de una cadena de carbono estarían espaciados más o menos uniformemente, con dos lazos entre ellos. Pero los átomos nunca son estáticos, debido a la incertidumbre cuántica natural, lo que Yakobson dijo que evita que caigan en una distorsión de Peierls menos estable.
"Peierls dijo que los metales unidimensionales son inestables y deben convertirse en semiconductores o aislantes, "Dijo Yakobson." Pero no es tan simple, porque hay dos factores determinantes ".
Uno, la distorsión de Peierls, "Quiere abrir la brecha que lo convierte en un semiconductor". El otro, llamada vibración de punto cero (ZPV), "Quiere mantener la uniformidad y el estado del metal".
Yakobson explicó que ZPV es una manifestación de incertidumbre cuántica, que dice que los átomos están siempre en movimiento. "Es más un borrón que una vibración, ", dijo." Podemos decir que el carbino representa el principio de incertidumbre en acción, porque cuando esta relajado, los lazos se confunden constantemente entre 2-2 y 1-3, hasta el punto en que promedian y la cadena permanece metálica ".
Pero estirar la cadena cambia el equilibrio hacia la alternancia de enlaces largos y cortos (1-3). Eso abre progresivamente una brecha de banda que comienza en aproximadamente un 3 por ciento de tensión, según los cálculos. El equipo de Rice creó un diagrama de fases para ilustrar la relación entre la banda prohibida y la tensión y la temperatura.
La forma en que el carbeno se adhiere a los electrodos también es importante, Artyukhov dijo. "Diferentes patrones de conectividad de enlace pueden afectar el equilibrio del estado metálico / dieléctrico y cambiar el punto de transición, potencialmente a donde ya no sea accesible, ", dijo." Así que hay que tener mucho cuidado al hacer los contactos ".
"La estructura de Carbyne es un enigma, ", dijo." Hasta este periódico, todo el mundo estaba convencido de que era sencillo-triple, con un vínculo largo y luego un vínculo corto, causada por la inestabilidad de Peierls ". Dijo que la comprensión de que las vibraciones cuánticas pueden apagar a Peierls, junto con el hallazgo anterior del equipo de que la tensión puede aumentar la banda prohibida y hacer que el carbono sea más aislante, impulsó el nuevo estudio.
"Otros investigadores consideraron el papel de ZPV en los sistemas activos de Peierls, incluso el propio carbino, antes que nosotros, "Artyukhov dijo." Sin embargo, en todos los estudios anteriores solo se consideraron dos posibles respuestas:o 'el carbino es semiconductor' o 'el carbeno es metálico, 'y la conclusión, cualquiera, fue visto como una especie de verdad matemática atemporal, un 'veredicto final' estático. Lo que nos dimos cuenta aquí es que puedes usar la tensión para pasar dinámicamente de un régimen a otro, lo que lo hace útil a un nivel completamente diferente ".
Yakobson señaló que los hallazgos deberían fomentar más investigaciones sobre la formación de cadenas de carbeno estables y pueden aplicarse igualmente a otras cadenas unidimensionales sujetas a distorsiones de Peierls. incluyendo polímeros conductores y materiales de onda de densidad de carga / espín.
