Los metales suelen caracterizarse por una buena conductividad eléctrica. Esto se aplica en particular al oro y la plata. Sin embargo, investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, junto con socios en Pisa y Lund, Ahora han descubierto que algunos metales preciosos pierden esta propiedad si son lo suficientemente delgados. El extremo de una capa de un solo átomo de espesor se comporta así como un semiconductor. Esto demuestra una vez más que los electrones se comportan de manera diferente en la capa bidimensional de un material que en las estructuras tridimensionales. Las nuevas propiedades podrían dar lugar a aplicaciones, por ejemplo en microelectrónica y tecnología de sensores.

Uno podría pensar que la hoja de oro que tiene solo 0,1 µm de grosor, es bastante delgado. Lejos de ahi. En realidad, puede ser varios cientos de veces más delgado. Por ejemplo, el equipo de investigación de Ulrich Starke y su ex estudiante de doctorado Stiven Forti han creado con éxito una capa de oro de solo un átomo de espesor. Oro bidimensional, por así decirlo.

Starke es director del Centro de Análisis de Interfaces en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart. Su equipo ha estado trabajando durante mucho tiempo en la frontera entre materiales tridimensionales (voluminosos) y bidimensionales (planos). Los investigadores del estado sólido están interesados ​​en esta transición porque está asociada con cambios en ciertas propiedades de los materiales. Esto se ha demostrado previamente en carbono bidimensional, o grafeno. Entre otras cosas, sus electrones son significativamente más móviles y permiten que la conductividad eléctrica aumente hasta 30 veces la del grafito tridimensional relacionado.

Los átomos de oro son empujados entre el grafeno y el carburo de silicio

Sin embargo, para muchos metales, producir capas de material de un solo átomo de espesor no es una tarea fácil. "Con los métodos de deposición clásicos, átomos de oro, por ejemplo, inmediatamente se aglomeraría en grupos tridimensionales ", explica Starke. Por lo tanto, su equipo está trabajando con un método diferente, la intercalación, en el que hicieron un trabajo pionero hace unos 10 años. La intercalación significa literalmente deslizar algo en el medio. Y así es precisamente como funciona. Los investigadores comienzan con una oblea de carburo de silicio. Usando un proceso que ellos mismos desarrollaron, primero convierten su superficie en una capa de grafeno de un solo átomo. "Si vaporizamos oro sublimado en esta disposición de carburo de silicio-grafeno en un alto vacío, los átomos de oro migran entre el carburo y el grafeno ", explica Forti. El ex candidato a doctorado Max Planck ahora está investigando en el Centro de Innovación en Nanotecnología de Pisa. Todavía no se comprende completamente cómo los átomos de oro gruesos entran en el espacio intersticial. Pero esto está claro:las temperaturas más altas favorecen el proceso.

El equipo también había aplicado la técnica de intercalación a otros elementos, incluido el germanio, cobre, y gadolinio. Todavía, según Forti, el foco principal fue la influencia sobre las propiedades del grafeno. En el caso del oro, sin embargo, se descubrió por primera vez que los átomos intercalados se ordenaban en forma regular, estructura bidimensional periódicamente recurrente, cristalina, a lo largo de la superficie del carburo de silicio. "Si la intercalación se realiza a 600 ° C, la capa de grafeno evita que los átomos de oro se aglomeren para formar gotas ", dice Forti sobre la función de la capa de carbono en la estructura del sándwich.

Una capa de oro que consta de solo dos capas atómicas se conduce como un metal.

La preparación exitosa de la capa de oro de un átomo de espesor fue solo el primer paso. Después, los materiales extremadamente delgados y sus posibles características especiales se volvieron interesantes para los investigadores. De hecho, podrían mostrar que la capa extremadamente delgada de oro desarrolla sus propias propiedades electrónicas y semiconductoras. Para comparar:la conductividad eléctrica de voluminosos (es decir, oro tridimensional) es casi tan buena como la del cobre. Debido a que las consideraciones teóricas pronostican un carácter metálico para el oro puro 2-D, el hallazgo de semiconductores fue algo sorprendente. "Las interacciones entre los átomos de oro y el carburo de silicio o el carbono de grafeno obviamente todavía juegan un papel aquí. Esto influye en los niveles de energía de los electrones", dice Starke.

Los semiconductores son materiales esenciales en microelectrónica y otros campos. Por ejemplo, En él se basan elementos de conmutación electrónicos como diodos o transistores. El equipo de Starke puede prever algunas aplicaciones típicas de semiconductores para el nuevo material 2-D. Una segunda capa de átomos de oro vuelve a dar un carácter metálico y, por tanto, influye en la conductividad eléctrica. "Variando la cantidad de oro sublimado, podemos controlar estrictamente si se forman una o dos capas de oro ", explica Forti.

Por tanto, sería concebible utilizar componentes con capas alternas de oro atómico simple o doble. El nuevo método de fabricación tendría que combinarse adecuadamente con métodos litográficos comunes de producción de chips. Por ejemplo, Se podrían producir diodos significativamente más pequeños que los convencionales. Según Starke, Los diferentes estados electrónicos del oro de capa simple y doble también podrían usarse en sensores ópticos.

Efectos electrónicos también en la capa de grafeno

Otra idea de aplicación resulta de los efectos causados ​​por el oro intercalado en la capa de grafeno adyacente, que aparentemente dependen del grosor del oro. "Una capa de oro de un átomo de espesor provoca un dopaje n en el grafeno. Esto significa que obtenemos electrones como portadores de carga", dice Forti. En lugares donde el oro tiene dos capas atómicas de espesor, sucede exactamente lo contrario, el dopaje p. Allí, los electrones faltantes o los llamados "huecos" cargados positivamente actúan como portadores de carga. El oro también mejora la interacción de los plasmones (es decir, las fluctuaciones en la densidad de los portadores de carga) con la radiación electromagnética. "Un estructurado, Por tanto, podría utilizarse una disposición alterna de dopaje n y p en el grafeno. Por ejemplo, como una matriz de detectores altamente sensible pero de alta resolución para la radiación de terahercios como los que se usan en las pruebas de materiales, para controles de seguridad en aeropuertos, o para la transmisión inalámbrica de datos ", dice Starke.

El equipo de Starke ya ha dado el siguiente paso en la producción de capas bidimensionales de metales preciosos. También en un experimento de intercalación con plata, una capa de plata bidimensional estrictamente cristalina formada entre carburo de silicio y grafeno. Y lo que es más:incluso este metal, que suele ser un conductor eléctrico incluso mejor que el oro, se convierte en semiconductor cuando se reduce a dos dimensiones. Los resultados iniciales indican que la energía requerida para hacer que la capa de plata sea eléctricamente conductora es probablemente más alta que para el oro 2-D. "Las propiedades semiconductoras de un componente fabricado con este material podrían, por tanto, ser térmicamente más estables que las del oro", dice Starke sobre las posibles consecuencias prácticas.