Cintas de grafeno que tienen solo unos pocos átomos de ancho, las llamadas nanocintas de grafeno, tienen propiedades eléctricas especiales que los convierten en candidatos prometedores para la nanoelectrónica del futuro. Mientras que el grafeno, una capa de carbono unidimensional, es un material conductor, puede convertirse en un semiconductor en forma de nanocintas. Esto significa que tiene una energía o banda prohibida suficientemente grande en la que no pueden existir estados de electrones; se puede encender y apagar, y por tanto puede convertirse en un componente clave de los nanotransistores.

Los detalles más pequeños en la estructura atómica de estas bandas de grafeno, sin embargo, tienen efectos masivos en el tamaño de la brecha energética, y, por tanto, qué tan adecuadas son las nanocintas como componentes de los transistores. Por un lado, el espacio depende del ancho de las cintas de grafeno, mientras que por otro lado depende de la estructura de los bordes. Dado que el grafeno consta de hexágonos de carbono equiláteros, el borde puede tener un zigzag o una forma de sillón, dependiendo de la orientación de las cintas. Mientras que las bandas con borde en zigzag se comportan como metales, es decir, son conductores, se convierten en semiconductores con el borde del sillón.

Esto plantea un gran desafío para la producción de nanocintas. Si las cintas se cortan de una capa de grafeno o se hacen cortando nanotubos de carbono, los bordes pueden ser irregulares, y por lo tanto, las cintas de grafeno pueden no exhibir las propiedades eléctricas deseadas.

Creando un semiconductor con nueve átomos

Los investigadores de Empa, en colaboración con el Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros en Mainz y la Universidad de California en Berkeley, ahora han logrado hacer crecer cintas de exactamente nueve átomos de ancho con un borde de sillón regular a partir de moléculas precursoras. Las moléculas especialmente preparadas se evaporan en un vacío ultra alto para este propósito. Después de varios pasos del proceso, se combinan como piezas de un rompecabezas sobre una base de oro para formar las nanocintas deseadas de aproximadamente un nanómetro de ancho y hasta 50 nanómetros de largo.

Estas estructuras, que solo se puede ver con un microscopio de efecto túnel, ahora tienen una brecha energética relativamente grande y definida con precisión. Esto permitió a los investigadores dar un paso más e integrar las cintas de grafeno en nanotransistores. Inicialmente, sin embargo, los primeros intentos no tuvieron mucho éxito. Las mediciones mostraron que la diferencia en el flujo de corriente entre el estado "ENCENDIDO" (es decir, con voltaje aplicado) y el estado "APAGADO" (sin voltaje aplicado) era demasiado pequeña. El problema era la capa dieléctrica de óxido de silicio que conecta las capas semiconductoras al contacto del interruptor eléctrico. Para tener las propiedades deseadas, tenía que tener 50 nanómetros de espesor, cuales, Sucesivamente, Influyó en el comportamiento de los electrones.

Sin embargo, Posteriormente, los investigadores lograron reducir masivamente esta capa utilizando óxido de hafnio (HfO2) en lugar de óxido de silicio como material dieléctrico. Por lo tanto, la capa tiene ahora solo 1,5 nanómetros de espesor y la corriente "activada" es órdenes de magnitudes más altas.

Otro problema fue la incorporación de cintas de grafeno al transistor. En el futuro, las cintas ya no deben estar entrecruzadas sobre el sustrato del transistor, sino alineado exactamente a lo largo del canal del transistor. Esto reduciría significativamente el alto nivel actual de nanotransistores que no funcionan.