Según lo informado por la revista Naturaleza en su último número, investigadores de Empa, el Instituto Max Planck en Mainz y la Universidad Técnica de Dresde han logrado por primera vez producir nanocintas de grafeno con bordes en zigzag perfectos a partir de moléculas. Los electrones en estos bordes en zigzag exhiben diferentes (y acopladas) direcciones de rotación ("espín"). Esto podría convertir a las nanocintas de grafeno en el material preferido para la electrónica del futuro. la llamada espintrónica.

A medida que los componentes electrónicos son cada vez más pequeños, la industria se está acercando gradualmente a los límites de lo que se puede lograr utilizando el enfoque tradicional con silicio como material semiconductor. Grafeno el material con una serie de propiedades "milagrosas", se considera un posible reemplazo. La fina película de carbono de un átomo es ultraligera, extremadamente flexible y altamente conductivo. Sin embargo, para poder usar grafeno para componentes electrónicos como transistores de efecto de campo, el material tiene que "transformarse" en un semiconductor. Esto fue logrado por los científicos de Empa hace algún tiempo utilizando un método recientemente desarrollado:en 2010, ellos presentaron, por primera vez, nanocintas de grafeno (GNR) de solo unos pocos nanómetros de ancho con bordes de forma precisa. Para esto, las cintas se cultivaron en una superficie metálica a partir de moléculas precursoras diseñadas específicamente. Cuanto más estrechas sean las cintas, cuanto mayor sea su banda prohibida electrónica, es decir, el rango de energía en el que no se pueden ubicar electrones, que es responsable de asegurar que un interruptor electrónico (por ejemplo, un transistor) se puede encender y apagar. Los investigadores de Empa también pudieron "dopar" las nanocintas, es decir, proporcionar a las cintas átomos de impurezas como nitrógeno en ciertos puntos, para influir aún más en las propiedades electrónicas de las cintas de grafeno.

El plano perfecto

En el documento ahora publicado en Naturaleza , el equipo de Empa liderado por Roman Fasel informa, junto con colegas del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros en Mainz, encabezada por Klaus Müllen, y de la Universidad Técnica de Dresde dirigida por Xinliang Feng, cómo logró sintetizar GNR con bordes perfectamente en zigzag utilizando moléculas precursoras de carbono adecuadas y un proceso de fabricación perfeccionado. Los zigzags siguieron una geometría muy específica a lo largo del eje longitudinal de las cintas. Este es un paso importante, porque los investigadores pueden así otorgar a las cintas de grafeno diferentes propiedades a través de la geometría de las cintas y especialmente a través de la estructura de sus bordes.

Al igual que con el suelo de baldosas, los mosaicos correctos, o moléculas precursoras, para la síntesis en la superficie, primero tenían que encontrarse para el patrón específico de las cintas de grafeno en zigzag. A diferencia de la química orgánica, que tiene en cuenta la aparición de subproductos en el camino hacia la consecución de una sustancia pura, todo tenía que estar diseñado para la síntesis superficial de las cintas de grafeno para que se produjera un solo producto. Los científicos cambiaron repetidamente entre simulaciones por computadora y experimentos, para diseñar la mejor síntesis posible. Con moléculas en forma de U, que dejaron crecer juntos para formar una forma de serpiente, y grupos metilo adicionales, que completó los bordes en zigzag, los investigadores pudieron finalmente crear un "plano" para GNR con bordes en zigzag perfectos. Para comprobar que los bordes en zigzag fueran exactos hasta el átomo, los investigadores investigaron la estructura atómica utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM). Además, pudieron caracterizar los estados electrónicos de los bordes en zigzag utilizando espectroscopía de túnel de barrido (STS).

Usando el espín interno de los electrones

Y estos muestran una característica muy prometedora. Los electrones pueden girar hacia la izquierda o hacia la derecha, que se conoce como el espín interno de los electrones. La característica especial del GNR en zigzag es que, a lo largo de cada borde, todos los electrones giran en la misma dirección; un efecto que se conoce como acoplamiento ferromagnético. Al mismo tiempo, el llamado acoplamiento antiferromagnético asegura que todos los electrones del otro borde giren en la dirección opuesta. Entonces, los electrones de un lado tienen un estado de "rotación" y del otro lado todos tienen un estado de "rotación".

Por lo tanto, dos canales de giro independientes con "direcciones de viaje" opuestas surgen en los bordes de la banda, como una carretera con carriles separados. A través de defectos estructurales integrados intencionalmente en los bordes o, de manera más elegante, a través de la provisión de un señal magnética u óptica desde el exterior, De este modo, se pueden diseñar barreras de giro y filtros de giro que solo requieran energía para encenderse y apagarse, el precursor de un transistor a nanoescala y también extremadamente eficiente en energía.

Posibilidades como ésta hacen que GNR sea extremadamente interesante para dispositivos espintrónicos; estos usan tanto la carga como el espín de los electrones. Esta combinación está impulsando a los científicos a pronosticar componentes completamente nuevos, p.ej. dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos direccionables que mantienen la información que se ha introducido incluso después de que se ha apagado la alimentación.