Un diagrama atómico esquemático de un pozo cuántico hecho de capas de carbono amorfo. Los átomos azules representan carbono amorfo con un alto porcentaje de carbono tipo diamante. Los átomos de color granate representan carbono amorfo que es similar al grafito. Las regiones similares al diamante tienen un alto potencial (el diamante es aislante) mientras que las regiones similares al grafito son más metálicas. Esto crea un pozo cuántico ya que los electrones están confinados dentro de la región similar al grafito debido al potencial relativamente alto en las regiones similares al diamante. Las superredes están formadas por una serie de pozos cuánticos. Crédito:Universidad de Wits
Investigadores del Laboratorio de Física del Transporte a Nanoescala de la Facultad de Física de la Universidad de Witwatersrand han encontrado una técnica para mejorar las superredes de carbono para aplicaciones de dispositivos electrónicos cuánticos. Las superredes están formadas por capas alternas de semiconductores muy delgados, solo unos pocos nanómetros de espesor. Estas capas son tan delgadas que la física de estos dispositivos se rige por la mecánica cuántica, donde los electrones se comportan como ondas. En un cambio de paradigma de los dispositivos electrónicos convencionales, La explotación de las propiedades cuánticas de las superredes encierra la promesa de desarrollar nuevas tecnologías.
El grupo, dirigido por el profesor Somnath Bhattacharyya, ha estado trabajando durante los últimos 10 años en el desarrollo de dispositivos nanoelectrónicos basados en carbono.
"El carbono es el futuro en el campo de la electrónica y pronto desafiará a muchos otros semiconductores, incluido el silicio, "dice Bhattacharyya.
La física de las superredes de carbono es más compleja que la de las superredes cristalinas (como el arseniuro de galio), ya que el material es amorfo y los átomos de carbono tienden a formar cadenas y redes. El grupo Wits, en asociación con investigadores de la Universidad de Surrey en el Reino Unido, ha desarrollado un enfoque teórico detallado para comprender los datos experimentales obtenidos de los dispositivos de carbono. El artículo ha sido publicado en Informes científicos el 19 de octubre.
"Este trabajo proporciona una comprensión de las propiedades cuánticas fundamentales de las superredes de carbono, que ahora podemos usar para diseñar dispositivos cuánticos para aplicaciones específicas, "dice el autor principal, Ingenio estudiante de doctorado, Ross McIntosh. "Nuestro trabajo proporciona un fuerte impulso para futuros estudios de las propiedades electrónicas y optoelectrónicas de alta frecuencia de las superredes de carbono".
A través de su trabajo, el grupo informó sobre uno de los primeros modelos teóricos que pueden explicar las propiedades fundamentales del transporte electrónico en superredes de carbono desordenadas.
Bhattacharyya comenzó a analizar el uso de carbono para aplicaciones de semiconductores hace casi 10 años, antes de unirse a la Universidad de Wits, cuando él y sus coautores de la Universidad de Surrey desarrollaron y demostraron una resistencia diferencial negativa y excelentes propiedades de alta frecuencia de un dispositivo cuántico formado por capas de carbono amorfo. Este trabajo fue publicado en Materiales de la naturaleza en 2006.
Un diagrama atómico esquemático de un pozo cuántico hecho de capas de carbono amorfo. Los átomos azules representan carbono amorfo con un alto porcentaje de carbono tipo diamante. Los átomos de color granate representan carbono amorfo que es similar al grafito. Las regiones similares al diamante tienen un alto potencial (el diamante es aislante) mientras que las regiones similares al grafito son más metálicas. Esto crea un pozo cuántico ya que los electrones están confinados dentro de la región similar al grafito debido al potencial relativamente alto en las regiones similares al diamante. Las cadenas granate a través de las regiones en forma de diamante representan cadenas poliméricas, una característica que es exclusiva de las superredes de carbono. Las superredes están formadas por una serie de pozos cuánticos. Los átomos verdes representan impurezas de nitrógeno. Crédito:Universidad de Wits
McIntosh aprovechó la oportunidad a nivel de honores para medir las propiedades eléctricas de los dispositivos de superrejilla de carbono. Ahora, como estudiante de doctorado y habiendo trabajado extensamente con el teórico Dr. Mikhail V. Katkov, ha ampliado el marco teórico y desarrollado una técnica para calcular las propiedades de transporte de estos dispositivos.
Bhattacharyya cree que este trabajo tendrá una inmensa importancia en el desarrollo de dispositivos de alta frecuencia basados en carbono.
"Abrirá no solo estudios fundamentales en materiales de Carbono, pero también tendrá aplicaciones industriales en el sector de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos, " él dice.
Las superredes se utilizan actualmente como osciladores y amplificadores de alta frecuencia de última generación y están comenzando a encontrar uso en optoelectrónica como detectores y emisores en el régimen de terahercios. Si bien las propiedades optoelectrónicas y eléctricas de alta frecuencia de los semiconductores convencionales están limitadas por los dopantes utilizados para modificar sus propiedades electrónicas, las propiedades de las superredes se pueden ajustar en un rango mucho más amplio para crear dispositivos que operan en regímenes donde los dispositivos convencionales no pueden.
Los dispositivos electrónicos de superrejilla pueden operar a frecuencias más altas y los dispositivos optoelectrónicos pueden operar a frecuencias más bajas que sus contrapartes convencionales. La falta de emisores y detectores de terahercios ha provocado una brecha en esa región del espectro electromagnético (conocida como "brecha de terahercios"), que es una limitación significativa, tantas moléculas biológicas están activas en este régimen. Esto también limita la radioastronomía en terahercios.
Los dispositivos de carbono amorfo son extremadamente fuertes, Puede operar a altos voltajes y puede desarrollarse en la mayoría de los laboratorios del mundo. sin sofisticadas instalaciones de nanofabricación. Los nuevos dispositivos basados en carbono podrían encontrar aplicación en biología, tecnología espacial, infraestructura científica como el telescopio Square Kilometer Array (SKA) en Sudáfrica, y nuevos detectores de microondas.
"Lo que faltaba antes era una comprensión del modelado de dispositivos. Si tenemos un modelo, podemos mejorar la calidad del dispositivo, y eso es lo que tenemos ahora, "dice Bhattacharyya.
