(Phys.org) —Graphene, un material que consta de una red de átomos de carbono, un átomo de espesor, es ampliamente promocionado como el material más conductor de electricidad jamás estudiado. Sin embargo, no todo el grafeno es igual. Con tan pocos átomos que comprenden la totalidad del material, la disposición de cada uno tiene un impacto en su función general.

Ahora, por primera vez, Investigadores de la Universidad de Pensilvania han utilizado un microscopio de última generación para estudiar la relación entre la geometría atómica de una cinta de grafeno y sus propiedades eléctricas.

Será necesaria una comprensión más profunda de esta relación para el diseño de circuitos integrados basados ​​en grafeno, chips de computadora y otros dispositivos electrónicos.

El estudio fue dirigido por los profesores A.T. Charlie Johnson y Marija Drndić, ambos del Departamento de Física y Astronomía de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, junto con Zhengqing John Qi, un miembro del laboratorio de Johnson, y Julio Rodríguez-Manzo del laboratorio de Drndic. Sung Ju Hong, luego miembro del laboratorio de Johnson, también contribuyó al estudio.

El equipo de Penn colaboró ​​con investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven, la Université Catholique de Louvain en Bélgica y la Universidad Nacional de Seúl en Corea del Sur.

Su estudio fue publicado en la revista Nano letras .

Los experimentos del equipo fueron habilitados por el microscopio electrónico de transmisión con corrección de aberraciones de Brookhaven, o AC-TEM. Al enfocar el haz de electrones del microscopio, los investigadores pudieron cortar de manera controlable láminas de grafeno en cintas con anchos tan pequeños como 10 nanómetros, mientras los mantiene conectados a una fuente de electricidad fuera del microscopio. Luego podrían usar la resolución nanoscópica del AC-TEM para distinguir entre átomos de carbono individuales dentro de esas cintas. Este nivel de precisión era necesario para determinar cómo se orientaban los átomos de carbono en los bordes de las nanocintas.

"Estamos relacionando la estructura del grafeno, su disposición atómica, con sus propiedades de transporte eléctrico, "dijo Drndić." En particular, estábamos mirando los bordes, del cual pudimos identificar la geometría ".

"El grafeno parece alambre de gallinero, y puedes cortar esta red hexagonal de átomos de carbono de diferentes maneras, produciendo diferentes formas en el borde, ", dijo." Pero si lo cortas de una manera, podría comportarse más como un metal, y, si lo cortas de otra manera, podría ser más como un semiconductor ".

Para cualquier pieza de grafeno, los lados puntiagudos o planos de sus hexágonos de carbono podrían estar en el borde de la pieza. Donde los lados puntiagudos miran hacia afuera, el borde tiene un patrón en "zig-zag". Los lados planos producen un patrón de "sillón" cuando están en un borde. Cualquier borde dado también puede mostrar una combinación de los dos, dependiendo de cómo se cortó inicialmente la pieza de grafeno y cómo ese borde se degrada bajo tensión.

Debido a que las nanocintas de grafeno estaban conectadas a una fuente de electricidad mientras estaban dentro del AC-TEM, los investigadores pudieron trazar simultáneamente el contorno de las cintas y medir su conductividad. Esto permitió correlacionar las dos cifras.

"Si desea utilizar nanocintas de grafeno en chips de computadora, por ejemplo, es absolutamente necesario tener esta información, Johnson dijo. La gente ha mirado estas cintas bajo el microscopio, y la gente ha medido sus propiedades eléctricas sin mirarlas, pero nunca ambas al mismo tiempo ".

Después de estudiar las nanocintas con niveles relativamente bajos de flujo de electrones, los investigadores aumentaron la intensidad, muy parecido a encender una bombilla con un regulador de intensidad. La combinación del bombardeo de electrones del microscopio y la gran cantidad de electrones que fluyen a través de las nanocintas hizo que sus estructuras se degradaran gradualmente. A medida que se rompieron los enlaces de carbono dentro de las nanocintas, se volvieron más delgados y la forma de sus bordes cambió, proporcionando puntos de datos adicionales.

"Al hacer todo dentro del microscopio, Rodríguez-Manzo dijo, "podemos seguir esta transformación hasta el final, midiendo las corrientes de las nanocintas incluso cuando son más pequeñas de 1 nanómetro de ancho. Eso es cinco átomos de ancho ".

Este tipo de pruebas de estrés es fundamental para el diseño futuro de la electrónica de grafeno.

"Tenemos que ver cuánta corriente podemos transportar antes de que estas nanocintas se desmoronen. Nuestros datos muestran que esta cifra es alta en comparación con el cobre," Rodríguez-Manzo sa Las duras condiciones también provocaron que algunas de las cintas se doblaran sobre sí mismas, produciendo bucles de grafeno nanoscópicos. Casualmente, el equipo descubrió que estos bucles tenían propiedades deseables.

"Cuando los bordes se envuelven y forman los bucles que vemos, "Johnson dijo, "ayuda a mantener unida la estructura, y hace que la densidad de corriente sea mil más alta de lo que es actualmente el estado de la técnica. Esa estructura sería útil para hacer interconexiones [que son las rutas conductoras que conectan los transistores en circuitos integrados] ".

La investigación futura en este campo implicará comparar directamente las propiedades eléctricas de las nanocintas de grafeno con diferentes anchos y formas de borde.

"Una vez que podamos cortar estas nanocintas átomo por átomo, "Drndić dijo, "Habrá mucho más que podamos lograr".