El equipo de investigación que opera en la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang, afiliado al Centro de Sistemas Electrónicos Artificiales de Baja Dimensión del Instituto de Ciencias Básicas, informó una banda prohibida sintonizable en BP, modificando eficazmente el material semiconductor en un estado único de materia con dispersión anisotrópica. El resultado de esta investigación permite potencialmente una gran flexibilidad en el diseño y optimización de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos como paneles solares y láseres de telecomunicaciones. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Un equipo coreano de científicos sintoniza la banda prohibida del fósforo negro para formar un conductor superior, permitiendo que la aplicación se produzca en masa para dispositivos electrónicos y optoelectrónicos.
El equipo de investigación de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), afiliado al Centro de Sistemas Electrónicos Artificiales de Baja Dimensión (CALDES) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS), informó una banda prohibida sintonizable en BP, modificando eficazmente el material semiconductor en un estado único de materia con dispersión anisotrópica. El resultado de esta investigación permite potencialmente una gran flexibilidad en el diseño y optimización de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos como paneles solares y láseres de telecomunicaciones.
Para comprender verdaderamente la importancia de los hallazgos del equipo, Es fundamental comprender la naturaleza de los materiales bidimensionales (2-D), y para eso hay que remontarse a 2010 cuando el mundo de los materiales 2-D estaba dominado por una simple hoja delgada de carbono, una forma en capas de átomos de carbono construida para parecerse a un panal, llamado grafeno. El grafeno fue anunciado mundialmente como un material maravilloso gracias al trabajo de dos científicos británicos que ganaron el Premio Nobel de Física por sus investigaciones al respecto.
El grafeno es extremadamente delgado y tiene atributos notables. Es más fuerte que el acero pero muchas veces más liviano, más conductivo que el cobre y más flexible que el caucho. Todas estas propiedades combinadas lo convierten en un tremendo conductor de calor y electricidad. Una capa libre de defectos también es impermeable a todos los átomos y moléculas. Esta fusión lo convierte en un material tremendamente atractivo para aplicar a los desarrollos científicos en una amplia variedad de campos, como la electrónica, aeroespacial y deportivo. Sin embargo, a pesar de su deslumbrante promesa, existe una desventaja; el grafeno no tiene banda prohibida.
El fosfera es el sucesor natural del grafeno. Crédito:Instituto de Ciencias Básicas
Stepping Stones hacia un estado único
La banda prohibida de un material es fundamental para determinar su conductividad eléctrica. Imagina dos cruces de ríos, uno con escalones apretados, y el otro con grandes huecos entre piedras. El primero es mucho más fácil de atravesar porque un salto entre dos piedras apretadas requiere menos energía. Una banda prohibida es muy parecida; cuanto menor sea el espacio, más eficientemente podrá moverse la corriente a través del material y más fuerte será la corriente.
El grafeno tiene una banda prohibida de cero en su estado natural, sin embargo, y así actúa como un director de orquesta; el potencial del semiconductor no se puede realizar porque la conductividad no se puede apagar, incluso a bajas temperaturas. Esto obviamente diluye su atractivo como semiconductor, ya que apagar la conductividad es una parte vital de la función de un semiconductor.
Nacimiento de una revolución
El fósforo es el decimoquinto elemento de la tabla periódica y presta su nombre a toda una clase de compuestos. De hecho, podría considerarse un arquetipo de la química en sí. El fósforo negro es la forma estable del fósforo blanco y recibe su nombre de su color distintivo. Como el grafeno BP es un semiconductor y también es barato de producir en masa. La única gran diferencia entre los dos es la banda prohibida natural de BP, permitiendo que el material encienda y apague su corriente eléctrica. El equipo de investigación probó en unas pocas capas de BP llamadas fosforeno, que es un alótropo del fósforo.
Keun Su Kim, un profesor amable destinado en POSTECH habla en ráfagas rápidas al detallar el experimento, "Transferimos electrones del dopante, el potasio, a la superficie del fósforo negro, lo que confinó los electrones y nos permitió manipular este estado. El potasio produce un fuerte campo eléctrico que es lo que necesitábamos para ajustar el tamaño de la banda prohibida ".
Este proceso de transferencia de electrones se conoce como dopaje e indujo un efecto Stark gigante, que sintonizó la banda prohibida permitiendo que la valencia y las bandas conductoras se acerquen, reduciendo efectivamente la banda prohibida y alterándola drásticamente a un valor entre 0.0 ~ 0.6 electron Volt (eV) de su valor intrínseco original de 0.35 eV. El profesor Kim explicó:"El grafeno es un semimetal de Dirac. Es más eficiente en su estado natural que el fósforo negro, pero es difícil abrir su banda prohibida; por lo tanto, ajustamos la banda prohibida de BP para que se pareciera al estado natural del grafeno, un estado único de la materia que es diferente de los semiconductores convencionales ".
El potencial de esta nueva forma mejorada de fósforo negro está más allá de lo que esperaba el equipo coreano, y muy pronto podría aplicarse a varios sectores, incluida la ingeniería, donde los ingenieros eléctricos pueden ajustar la banda prohibida y crear dispositivos con el comportamiento exacto deseado. La revolución 2-D, parece, ha llegado y está aquí a largo plazo.
