En un día normal en el laboratorio, Eva Andrei no esperaba hacer un descubrimiento importante. Andrei, profesor de física en la Universidad de Rutgers, estaba usando grafito, el material de los lápices, para calibrar un microscopio de efecto túnel. Como parte del proceso, encendió un campo magnético muy poderoso. Cuando miró hacia arriba para ver el espectro electrónico del material, ella estaba asombrada. "Vimos enormes hermosos picos allá arriba, simplemente increíble. Y no tenían ningún sentido "ella recordó.

Recordando una conferencia a la que había asistido recientemente, se dio cuenta de que el grafito se había separado en láminas de solo un átomo de espesor. Este material, conocido como grafeno, tiene extrañas propiedades electrónicas. Pero incluso para el grafeno, el espectro que vio era extraño. De hecho, nadie había visto algo así antes. Como lo describió Andrei, su colega "se volvió loco en el pasillo y gritó '¡Grafeno!'". Andrei había hecho un descubrimiento fortuito:un nuevo fenómeno eléctrico.

Esta no fue la primera ni la última vez que el movimiento de electrones en el grafeno sorprendería y alegraría a los científicos. Una de las cosas más impresionantes del grafeno es la rapidez con que se mueven los electrones a través de él. Viajan a través de él más de 100 veces más rápido que a través del silicio utilizado para fabricar chips de computadora. En teoria, esto sugiere que los fabricantes podrían usar grafeno para hacer transistores ultrarrápidos para más delgada, pantallas táctiles más potentes, electrónica, y celdas solares.

Pero lo que hace que el grafeno sea tan sorprendente también dificulta su uso:los electrones fluyen a través de su estructura de panal con demasiada facilidad. A diferencia del silicio, el grafeno carece de una banda prohibida. Bandgaps es la cantidad de energía que un electrón debe ganar para liberarse de un átomo y moverse a otros átomos para conducir una corriente. Como un peaje en una carretera los electrones necesitan "pagar" con energía para continuar. Los dispositivos electrónicos utilizan bandas prohibidas como puertas para controlar dónde y cuándo fluyen los electrones. Sin bandgaps, La estructura del grafeno actúa como una superautopista de electrones sin señales de alto.

"Los electrones del grafeno son tan salvajes que no se pueden domesticar; es difícil crear una brecha, "dijo Andrei.

Esa falta de banda prohibida hace que el grafeno sea actualmente muy difícil de usar en la electrónica moderna. Los investigadores apoyados por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía (DOE) están investigando formas de superar este desafío y otros para dirigir el tráfico de electrones del grafeno.

Los electrones se comportan como partículas de luz

Los materiales que tienen solo unos pocos átomos de espesor actúan fundamentalmente de manera diferente a cantidades mayores del mismo material.

"El mayor desafío es tener una comprensión confiable de las propiedades de los materiales, "dijo Lilia Woods, profesor de física en la Universidad del Sur de Florida.

Incluso para un material tan plano, el grafeno tiene algunas características extrañas. En la mayoría de los materiales, los electrones se mueven a diferentes velocidades. Pero en grafeno, todos se mueven a la misma velocidad. De hecho, los electrones en el grafeno actúan como si no tuvieran masa, como partículas de luz. Ésa es una de las razones por las que los electrones se mueven tan rápido y son tan difíciles de controlar.

Dirigir el tráfico de electrones

Estudiar el comportamiento del grafeno es una cosa. Descubrir cómo manipularlo es otra. Los científicos han estado buscando varias formas diferentes de controlar los electrones en el grafeno:desarrollando nanocintas, estirándolo, emparejándolo con nitruro de boro (otro material de un átomo de altura), y aplicando cargas eléctricas a los espacios vacíos en ella. Los científicos persiguen múltiples enfoques porque no saben cuál funcionará mejor. Mientras tanto, cada enfoque proporciona su propia visión única de las propiedades básicas del grafeno.

Nanocintas de grafeno

Producir nanocintas de grafeno es una forma de hacer un material que ya es inimaginablemente delgado, aún más delgado. Estas cintas mantienen muchas de las características positivas del grafeno y, al mismo tiempo, dan a los científicos un mejor control sobre cómo se comportan los electrones. incluida la creación de bandgaps.

"Puedes ver estas pequeñas cintas como elementos de circuitos electrónicos, "dijo Michael Crommie, físico del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Laboratorio de Berkeley).

La investigación de las nanocintas comenzó incluso antes de que los científicos ingresaran al laboratorio. Basado en cálculos, Los físicos teorizaron hace más de una década que las nanocintas podrían ofrecer nuevas formas de manipular las propiedades electrónicas del grafeno. Los experimentales han confirmado esta idea mediante el desarrollo de nanocintas con bordes limpios.

Por ejemplo, Investigadores de la Universidad de Wisconsin y otros lugares desarrollaron nanocintas de grafeno que mostraban una banda prohibida. Demostraron que cuando el ancho de una nanocinta es menor de tres nanómetros, sobre el grosor de una hebra de ADN, desarrolla una banda prohibida significativa. También se convierte en semiconductor. A diferencia de la superautopista de electrones del grafeno, los semiconductores pueden alternar entre conductores de electricidad o no. Cuanto más estrecha es la cinta, cuanto mayor sea la brecha o el "costo energético" que necesitan los electrones.

Pero un desafío es cómo hacer una sola nanocinta que tenga múltiples anchos y, por lo tanto, regiones con diferentes bandgaps. Las nanocintas de un solo ancho no darán a los científicos el nivel de control necesario para diseñar circuitos complejos. Para resolver este problema, Los científicos del laboratorio de Berkeley fusionaron segmentos de cinta con diferentes anchos. Esta "ingeniería de banda prohibida" es esencial para la fabricación de dispositivos semiconductores y un gran paso hacia el uso de grafeno en circuitos.

Estas nanocintas no se pueden utilizar solas, por lo que los científicos están investigando cómo interactúan las nanocintas con diferentes superficies. Investigadores de la Universidad del Sur de Florida estudiaron nanocintas de grafeno en sustratos de carburo de silicio (SiC). Descubrieron que la forma en que ciertos bordes de las nanocintas se unen al sustrato de SiC influyen en la banda prohibida. Las nanocintas con diferentes anchos y bordes ancladas en diferentes sustratos pueden permitir a los científicos un mayor control sobre las propiedades de los electrones que las nanocintas que no están ancladas en absoluto.

Estirar el grafeno

Estirar el grafeno ofrece un camino alternativo para controlar sus propiedades. Cuando los científicos estiran el grafeno de una manera específica, forma pequeñas burbujas en las que los electrones actúan como si realmente estuvieran en un campo magnético muy poderoso. Estas burbujas brindan a los científicos nuevas oportunidades para manipular el tráfico de electrones en el grafeno.

Este descubrimiento también fue un completo accidente. Un equipo de Berkeley Lab resultó estar cultivando una capa de grafeno en la superficie de un cristal de platino en una cámara de vacío. Mientras los investigadores probaron el grafeno, notaron que sus electrones actuaban de manera extraña. En lugar de moverse como lo hacen normalmente en un continuo uniforme, los electrones de las nanoburbujas de grafeno se agruparon a energías muy específicas. Cuando los investigadores compararon sus resultados con lo sugerido por la teoría, descubrieron que los electrones se comportaban como si estuvieran en un campo magnético ultrafuerte. Sin embargo, no había ningún campo magnético real presente.

Con grafeno "a menudo perseguimos una cosa y encontramos algo completamente inesperado, "Dijo Crommie.

Maridaje con nitruro de boro

Cuando los científicos exploraron por primera vez las propiedades del grafeno, lo colocaron encima de dióxido de silicio. Debido a que el dióxido de silicio es un aislante común para aplicaciones electrónicas, parecía una pareja ideal. Sin embargo, el grafeno no estaba alcanzando su máximo potencial.

James Hone, un profesor de ingeniería mecánica de la Universidad de Columbia, recordó haber pensado, "¿Existe un material en capas como el grafeno que encajaría de forma natural?"

El equipo de Hone finalmente descubrió que el grafeno funciona mucho mejor cuando lo pones en nitruro de boro. Como el grafeno El nitruro de boro se puede fabricar con solo unos pocos átomos de espesor y tiene la misma estructura de panal. Sin embargo, es un aislante que impide que los electrones se muevan a través de él.

Descubrieron que la combinación de nitruro de boro y grafeno puede producir un nuevo material cuyas propiedades son muy flexibles. Esta combinación es tan prometedora que Alex Zettl de Berkeley Lab bromeó diciendo que su laboratorio ahora es "Boron Nitride R Us". Él comentó, "Hacer que el nitruro de boro influya en el grafeno es una herramienta muy poderosa".

La luz ordinaria puede ofrecer una forma de influir en los electrones en este nuevo material compuesto. Los científicos de Berkeley Lab han descubierto que pueden usar la luz de una lámpara simple para crear un dispositivo semiconductor esencial llamado "unión p-n". Las uniones P-n tienen un lado que es positivo y carece de electrones y otro lado que es negativo con electrones adicionales. Al diseñar cuidadosamente estas uniones, los ingenieros pueden controlar cómo y cuándo se mueven los electrones entre los dos lados de un material. Son como las puertas que se suben y bajan en un peaje.

Los científicos se dieron cuenta de que si podían poner cargas estáticas en el nitruro de boro de una manera específica, podrían generar una unión p-n en el grafeno cercano. Para crear la unión p-n, los científicos primero prepararon la carretera del grafeno para tener un exceso de electrones, o ser una región de tipo n. Luego, al iluminar el nitruro de boro subyacente, crearon un bache, o región de tipo p, en el grafeno. Entonces, con un pulso de luz y el nitruro de boro como mediador, podían "escribir" uniones p-n (puertas de peaje) en el grafeno según fuera necesario.

Incluso después de que los científicos apagaran la luz, la activación del nitruro de boro y su influencia en el tráfico de electrones en el grafeno cercano, permaneció en su lugar durante días. Los científicos también descubrieron que podían borrar y recrear estas uniones, lo que podría ser importante para diseñar dispositivos electrónicos.

Ahora los investigadores están utilizando microscopios de túnel de barrido, que utilizan puntas del tamaño de un nanómetro para conducir la electricidad, hacer lo mismo con más precisión.

Carga de espacios vacíos en grafeno

Debido a su estructura única, el grafeno permanece estable incluso cuando los científicos lo perforan. El equipo de Andrei de la Universidad de Rutgers aprovechó este hecho para crear un "átomo artificial" que influye en los electrones cercanos en la parte intacta del grafeno. Primero, los investigadores dispararon helio al grafeno en un sustrato, eliminando un solo átomo de carbono. Luego usaron un microscopio de efecto túnel para aplicar una carga positiva al sustrato debajo del espacio vacío donde solía sentarse el átomo faltante. Como un átomo real esa carga positiva influyó en las órbitas de los electrones en el grafeno circundante. La creación de estos átomos artificiales podría ser otra forma en que los dispositivos futuros podrían controlar el flujo de electrones en el grafeno.

El futuro del grafeno

Quizás lo más sorprendente de estos giros y vueltas es que es posible que el futuro no esté en absoluto en el grafeno. Mientras los científicos investigaban las propiedades electrónicas únicas del grafeno, descubrieron nuevos materiales extremadamente delgados hechos de elementos distintos del carbono. Si un material tiene solo unos pocos átomos de espesor y tiene una estructura de panal, puede demostrar muchas de las propiedades electrónicas del grafeno. De hecho, los científicos han encontrado materiales hechos de silicio, germanio, y estaño que actúan sorprendentemente similares al grafeno. El uso de estos materiales por sí mismos o en combinación con grafeno puede ofrecer mejores características que el grafeno solo.

Mientras tanto, Los científicos continuarán investigando las extrañas características de este material con frecuencia sorprendente. Como Philip Kim, un profesor de física de la Universidad de Harvard dijo:"[El grafeno] siempre te proporciona algo nuevo, ciencia apasionante que no esperábamos ".