Ilustración de una unión p-n en una heteroestructura hecha de segmentos de nanocintas de grafeno prístinos y dopados con nitrógeno ("azul brillante"). Se espera que el cambio abrupto en el potencial electrostático en la región de la interfaz conduzca a una alta eficiencia de separación de portadores de carga, como se ilustra esquemáticamente con electrones en movimiento opuesto (rojo) y agujeros (azul).
El grafeno es un semiconductor cuando se prepara como una cinta ultra estrecha, aunque el material es en realidad un material conductor. Investigadores de Empa y el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros han desarrollado un nuevo método para dopar selectivamente moléculas de grafeno con átomos de nitrógeno. Al unir a la perfección piezas de grafeno dopadas y no dopadas, pudieron formar "heterouniones" en las nanocintas, cumpliendo así un requisito básico para que la corriente electrónica fluya en una sola dirección cuando se aplica voltaje:el primer paso hacia un transistor de grafeno. Es más, el equipo ha logrado eliminar las nanocintas de grafeno del sustrato de oro en el que se cultivaron y transferirlas a un material no conductor.
El grafeno posee muchas propiedades sobresalientes:conduce calor y electricidad, es transparente, más duro que el diamante y extremadamente fuerte. Pero para usarlo para construir interruptores electrónicos, un material no solo debe ser un conductor sobresaliente, también debe ser conmutable entre los estados "encendido" y "apagado". Esto requiere la presencia de un llamado bandgap, lo que permite que los semiconductores estén en un estado aislante. El problema, sin embargo, es que la banda prohibida en el grafeno es extremadamente pequeña. Los investigadores de Empa del laboratorio de "nanotecnología @ superficies" desarrollaron un método hace algún tiempo para sintetizar una forma de grafeno con bandas prohibidas más grandes al permitir que las nanocintas de grafeno ultra estrechas "crezcan" a través del autoensamblaje molecular.
Nanocintas de grafeno hechas de segmentos dopados de manera diferente
Los investigadores, dirigido por Roman Fasel, ahora han logrado un nuevo hito al permitir que crezcan las nanocintas de grafeno que consisten en subsegmentos dopados de manera diferente. En lugar de utilizar siempre las mismas moléculas de carbono "puro", utilizaron moléculas adicionalmente dopadas:moléculas provistas de "átomos extraños" en posiciones definidas con precisión, en este caso nitrógeno. Al unir segmentos "normales" con segmentos dopados con nitrógeno en una superficie de oro (Au (111)), se crean las llamadas heterouniones entre los segmentos individuales. Los investigadores han demostrado que estos muestran propiedades similares a las de una unión p-n clásica, es decir, una unión con cargas positivas y negativas en diferentes regiones del cristal semiconductor, creando así la estructura básica que permite el desarrollo de muchos componentes utilizados en la industria de los semiconductores. Una unión p-n hace que la corriente fluya en una sola dirección. Debido a la transición brusca en la interfaz de heterounión, la nueva estructura también permite que los pares de electrones / huecos se separen de manera eficiente cuando se aplica un voltaje externo, como lo demuestran teóricamente los teóricos de Empa y colaboradores del Instituto Politécnico Rensselaer. Este último tiene un impacto directo en el rendimiento energético de las células solares. Los investigadores describen las correspondientes heterouniones en nanocintas de grafeno segmentadas en el número recientemente publicado de Nanotecnología de la naturaleza .
Transferencia de nanocintas de grafeno a otros sustratos
Heteroestructura de una cinta de grafeno hecha de un segmento puro y dopado con nitrógeno (azul luminoso)
Además, Los científicos han resuelto otro problema clave para la integración de la nanotecnología del grafeno en la industria de semiconductores convencionales:¿cómo transferir las cintas de grafeno ultra estrechas a otra superficie? Mientras las nanocintas de grafeno permanezcan en un sustrato metálico (como el oro que se usa aquí), no se pueden usar como interruptores electrónicos. El oro conduce y crea así un cortocircuito que "sabotea" las atractivas propiedades semiconductoras de la cinta de grafeno. El equipo de Fasel y sus colegas del Instituto Max-Planck para la Investigación de Polímeros en Mainz han logrado demostrar que las nanocintas de grafeno se pueden transferir de manera eficiente e intacta mediante un proceso de grabado y limpieza relativamente simple sobre (virtualmente) cualquier sustrato. por ejemplo en zafiro, fluoruro de calcio u óxido de silicio.
Por lo tanto, el grafeno está emergiendo cada vez más como un material semiconductor interesante y una adición bienvenida al silicio omnipresente. Las nanocintas de grafeno semiconductoras son particularmente atractivas ya que permiten componentes electrónicos más pequeños y, por lo tanto, más eficientes energéticamente y más rápidos que el silicio. Sin embargo, el uso generalizado de nanocintas de grafeno en el sector de la electrónica no se prevé en un futuro próximo, debido en parte a problemas de escala y en parte a la dificultad de reemplazar la electrónica convencional basada en silicio bien establecida. Fasel estima que aún pueden pasar entre 10 y 15 años antes de que el primer interruptor electrónico hecho de nanocintas de grafeno pueda usarse en un producto.
Nanocintas de grafeno para componentes fotovoltaicos
A diferencia del grafeno, que muestra una absorbancia independiente de la longitud de onda para la luz visible, La absorción de luz se puede incrementar enormemente de forma controlada con nanocintas de grafeno. Esto se logra estableciendo el ancho de las nanocintas de grafeno con precisión atómica.
Los componentes fotovoltaicos también podrían algún día estar basados en grafeno. En un segundo artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , Pascal Ruffieux, también del laboratorio de "nanotecnología @ superficies" de Empa, y sus colegas describen un posible uso de las tiras de grafeno, por ejemplo en células solares. Ruffieux y su equipo han notado que las nanocintas de grafeno particularmente estrechas absorben la luz visible excepcionalmente bien y, por lo tanto, son muy adecuadas para su uso como capa absorbente en células solares orgánicas. En comparación con el grafeno "normal", que absorbe la luz por igual en todas las longitudes de onda, la absorción de luz en las nanocintas de grafeno se puede incrementar enormemente de forma controlada, mediante el cual los investigadores "establecen" el ancho de las nanocintas de grafeno con precisión atómica.
