Un equipo internacional de científicos ha organizado los datos bibliográficos disponibles sobre grafeno bicapa, un material de alto potencial con posibles aplicaciones en electrónica y óptica. El artículo de revisión fue publicado en Informes de física .

La fiebre del grafeno

El desarrollo de la microelectrónica está estrechamente asociado con la búsqueda de nuevas tecnologías y materiales para su uso en transistores. Un material prometedor, grafeno atrajo la atención de científicos e ingenieros por igual gracias a su mecánica inusual, eléctrico, y propiedades ópticas. La fiebre del grafeno comenzó en 2004 con la publicación de un artículo de Konstantin Novoselov y Andre Geim en Ciencias . A partir de hoy, más de 10, Se han publicado 000 artículos relacionados con el grafeno y se han concedido más de mil patentes relacionadas con el material.

Grafeno bicapa, o bigrafeno, es una de las formas interesantes de grafeno, que actualmente está ganando terreno:solo en 2014 y 2015, más de 1, Se publicaron 000 artículos sobre bigrafeno.

Dr. Alexander Rozhkov, un coautor de la revisión actual, resume el logro del equipo:"Para escribir la reseña sobre grafeno bicapa, Pasamos dos años estudiando y organizando todos los hallazgos experimentales y teóricos más importantes en el campo. Como resultado, publicamos una revisión citando aproximadamente 450 artículos científicos sobre grafeno bicapa y temas relacionados. Ahora, es la revisión más completa que trata el tema, tanto en términos de la gran cantidad de referencias como del alcance del tema ".

¿Por qué dos es mejor que uno?

Una de las características atractivas del grafeno es su alta movilidad del portador de carga. De hecho, es docenas de veces mayor que la cantidad análoga en silicio, el material de referencia de la microelectrónica moderna. Los electrones y huecos (vacantes de electrones) en el grafeno pueden moverse fácil y rápidamente bajo la influencia de un campo eléctrico externo. Sin embargo, un transistor basado en grafeno de una sola capa tiene el inconveniente significativo de que no se puede apagar de forma eficaz. Esto se explica por el hecho de que el grafeno no tiene banda prohibida, es decir., una gama de valores de energía prohibidos a sus electrones. Como consecuencia, el flujo de corriente a través de dicho transistor no se puede apagar por completo.

La principal ventaja del grafeno bicapa es la posibilidad de inducir localmente una banda prohibida y ajustar su magnitud mediante la aplicación de un fuerte campo eléctrico perpendicular a las láminas de carbono. Esto significa que podría usarse para diseñar transistores de próxima generación que funcionarían más rápido y usarían menos energía. lo cual es especialmente importante para los dispositivos portátiles que funcionan con baterías. Además, la posibilidad de sintonización de banda prohibida significa que hay aún más potencial para aplicaciones en optoelectrónica y sensores.

Sin embargo, aún está por llegar una auténtica revolución microelectrónica. Comparado con el grafeno ordinario, una muestra de bicapa de alta calidad es más difícil de fabricar, ya que uno tiene que controlar la calidad del material y la precisión de la alineación de las capas para preservar la alta movilidad de carga y otras características.

Hay tres tipos principales de bigrafeno. En Automóvil club británico -grafeno bicapa apilado, las capas están alineadas de tal manera que cada átomo de la hoja superior se encuentra exactamente encima de un átomo de la hoja inferior. En AB -grafeno bicapa apilado, las capas se superponen de una manera diferente, verbigracia., solo la mitad de los átomos en la hoja superior se encuentran sobre un átomo, mientras que la otra mitad se encuentra sobre el centro de un hexágono en la red cristalina de la hoja inferior (ver Fig. 1). En otra variante, llamado retorcido bigrafeno, una capa se gira en un ángulo predeterminado con respecto a la otra capa. Cada uno de los tres tipos tiene sus propias características peculiares, que necesitan ser estudiados.

Futuro del grafeno

Por ahora, muchos de los esquemas y conceptos teóricos propuestos inicialmente han sido absorbidos por la comunidad científica. Las predicciones hechas en la era anterior al grafeno (los años 80 y 90) y poco después del comienzo de la fiebre del grafeno se han probado gracias a los rápidos avances realizados por la ciencia experimental del grafeno en la última década. En este momento, los científicos están comprometidos a encontrar aplicaciones para el material. Todavía, Los investigadores fundamentales (que no buscan aplicaciones inmediatas) también están ocupados resolviendo nuevos problemas que surgen en el campo de los sistemas de grafeno. Por una cosa, Se desconoce hasta qué punto la repulsión de Coulomb entre electrones puede afectar las propiedades de los sistemas de grafeno. Para abordar esta pregunta, Se discuten conceptos relativamente nuevos para la física del estado sólido, p.ej., el líquido marginal de Fermi y los estados ordenados topológicamente.

Los autores del artículo de revisión han estado estudiando el grafeno bicapa durante seis años. Contribuyeron a la comprensión de la estructura electrónica de este material. En particular, examinaron la posibilidad de que la simetría espontánea se rompiera Automóvil club británico -grafeno bicapa apilado. Los investigadores también predijeron teóricamente la inestabilidad del subsistema de electrones en Automóvil club británico -apiló bigrafeno e identificó la posibilidad de ordenamiento antiferromagnético y estados espacialmente no homogéneos en un sistema bicapa. Aparte de eso, los autores investigaron estados de un solo electrón en retorcido grafeno bicapa en varios ángulos de torsión y para varios tamaños de celdas de superrejilla, donde la noción de una celda de superrejilla (también conocida como celda de patrón muaré; ver Fig.2) se refiere a una estructura relativamente grande que ocurre periódicamente en el patrón atómico, que surge cuando dos hojas de grafeno superpuestas se retuercen entre sí.

Dr. Artem Sboychakov, un coautor de la revisión y un científico investigador principal del Laboratorio No. 1 del Instituto de Electrodinámica Teórica y Aplicada comentó sobre la publicación de la revisión:"Es una característica común de todos los sistemas con un patrón muaré, incluido el grafeno bicapa retorcido que están dotados de una física bastante compleja, principalmente debido a la complejidad de su estructura. Ciertos aspectos de su comportamiento, como los efectos de las interacciones entre electrones, aún no se comprenden completamente. Deberíamos estar esperando una serie de descubrimientos interesantes en este campo. "

El Dr. Alexander Rakhmanov del MIPT, que dirige el Laboratorio No. 1 en el Instituto de Electrodinámica Teórica y Aplicada, agregó:"Nuestro equipo tiene una experiencia considerable en los estudios teóricos de las interacciones electrón-electrón en sistemas basados ​​en grafeno. En estos días, además de enfoques puramente analíticos, el papel de las técnicas numéricas no puede subestimarse. Nos ayudan a encontrar las respuestas a muchas de las preguntas teóricas importantes. Los autores de esta revisión están investigando principalmente en el Instituto RIKEN de Investigación Física y Química en Japón y en el Instituto de Electrodinámica Teórica y Aplicada. que colabora estrechamente con el Departamento de Electrodinámica de Sistemas Complejos y Nanofotónica de MIPT. Entre estos dos institutos clave, tenemos suficiente poder de cómputo para realizar extensos estudios computacionales. Creo que podría resumir los resultados de mi propia investigación y la experiencia que obtuvimos al escribir la revisión diciendo que podríamos esperar que el grafeno y los sistemas basados ​​en este material sigan siendo una fuente de inspiración científica para muchos investigadores, tanto teóricos como experimentales, en los años que vendrán."