Se muestra una sola capa de grafeno en una diapositiva.
Un nuevo procedimiento permitirá a los investigadores fabricar más rápido, y dispositivos a nanoescala más potentes, y hacerlo con control molecular y precisión. Usando una sola capa de átomos de carbono, o grafeno, nanoingenieros de la Universidad de California, San Diego ha inventado una nueva forma de fabricar nanoestructuras que contienen elementos bien definidos, huecos de tamaño atómico. Los resultados de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego se publicaron en la edición de enero de la revista. Nano letras .
Estructuras con estos bien definidos, Los espacios de tamaño atómico podrían usarse para detectar moléculas individuales asociadas con ciertas enfermedades y podrían algún día dar lugar a microprocesadores que sean 100 veces más pequeños que los de las computadoras actuales.
La capacidad de generar brechas extremadamente pequeñas, conocidas como nanogaps, es muy deseable en la fabricación de estructuras a nanoescala. que se utilizan normalmente como componentes en dispositivos ópticos y electrónicos. Al disminuir el espacio entre los circuitos electrónicos de un microchip, por ejemplo, se pueden colocar más circuitos en el mismo chip para producir un dispositivo con mayor potencia de cálculo.
Un equipo de Ph.D. estudiantes e investigadores de pregrado dirigidos por el profesor de nanoingeniería de UC San Diego, Darren Lipomi, demostraron que la clave para generar un nanogap más pequeño entre dos nanoestructuras implica el uso de un espaciador de grafeno, que se puede grabar para crear la brecha.
El grafeno es el material más delgado que se conoce:es simplemente una capa única de átomos de carbono y mide aproximadamente 0,3 nanómetros (nm), que es alrededor de 100, 000 veces más delgado que un cabello humano. La técnica desarrollada por el equipo de Lipomi supera algunas de las limitaciones de los métodos de fabricación estándar, como la fotolitografía y la litografía por haz de electrones. En comparación, los nanogaps más pequeños que se pueden generar utilizando los métodos estándar son de 10 a 20 nm de ancho.
"Hacer un nanogap es interesante desde un punto de vista filosófico, ", dijo Lipomi." Si bien la mayoría de los esfuerzos en nanotecnología se centran en la fabricación de materiales, esencialmente no hemos hecho nada, pero con dimensiones controladas ".
Haciendo "nada"
Alex Zaretski, estudiante de posgrado en el Departamento de Nanoingeniería de la Escuela de Ingeniería Jacobs de UC San Diego y autor principal del artículo.
El método para hacer nanogaps comienza con la producción de películas delgadas en las que una sola capa de grafeno se intercala entre dos láminas de metal dorado. Primero, el grafeno se cultiva sobre un sustrato de cobre, y luego en capas encima con una hoja de metal dorado. Porque el grafeno se adhiere mejor al oro que al cobre, toda la capa única de grafeno se puede quitar fácilmente y permanece intacta en grandes áreas. En comparación con otras técnicas que se utilizan para producir estructuras en capas similares, este método permite que el grafeno se transfiera a una película de oro con un mínimo de defectos o contaminación.
"Este nuevo método, que desarrollamos en nuestro laboratorio, se llama exfoliación asistida por metales. Esta es la única forma hasta ahora en la que podemos colocar grafeno de una sola capa entre dos metales y asegurarnos de que no contenga rasgaduras. grietas pliegues o especies químicas no deseadas, "dijo Alex Zaretski, estudiante de posgrado del grupo de investigación de Lipomi que fue pionero en la técnica y es el primer autor del estudio. "La exfoliación asistida por metales puede ser potencialmente útil para las industrias que utilizan grandes áreas de grafeno".
Una vez que el compuesto de oro / grafeno se separa del sustrato de cobre, el lado recién expuesto de la capa de grafeno se intercala con otra hoja de oro para producir el oro:grafeno de una sola capa:película fina de oro.
Luego, las películas se cortan en nanoestructuras de 150 nm de ancho. Finalmente, las estructuras se tratan con plasma de oxígeno para eliminar el grafeno. Las micrografías electrónicas de barrido de las estructuras revelan nanopartículas extremadamente pequeñas entre las capas de oro.
Portaobjetos que contienen muestras de grafeno de una sola capa.
Aplicaciones de Nanogap
Una aplicación potencial de esta tecnología es la detección ultrasensible de moléculas individuales, particularmente aquellos que son característicos de ciertas enfermedades. Cuando la luz incide sobre estructuras con espacios extremadamente pequeños, el campo electromagnético que está confinado dentro del espacio aumenta enormemente. Este campo electromagnético mejorado, Sucesivamente, aumenta la señal producida por cualquier molécula dentro del espacio.
"Si aparece algún marcador de enfermedad y cierra la brecha entre las nanoestructuras, observaría un cambio en la dispersión de la luz del nanogap que correspondería a si la enfermedad estaba presente o no, "dijo Lipomi.
Si bien la técnica informada en este estudio puede producir nanoestructuras adecuadas para aplicaciones ópticas, presenta un gran inconveniente para las aplicaciones electrónicas. Las mediciones espectroscópicas Raman de las nanoestructuras de oro revelan que aún quedan pequeñas cantidades de grafeno entre las capas de oro después de ser tratadas con plasma de oxígeno. Esto significa que hasta ahora solo se puede eliminar el grafeno expuesto cerca de las superficies de las nanoestructuras de oro. Tener grafeno todavía en las estructuras no es deseable para los dispositivos electrónicos, que requieren un espacio completo entre las estructuras. El equipo está trabajando para descubrir cómo resolver este problema.
En el futuro, al equipo también le gustaría explorar formas de variar el grosor del espacio bien definido entre las estructuras aumentando el número de capas de grafeno.
"Para aplicaciones ópticas, Sería deseable tener brechas un poco más grandes que las que hemos generado. Solo queríamos mostrar en principio, el tamaño de espacio más pequeño que es posible lograr, "dijo Lipomi.
