Por primera vez, el grafeno está dopado con electrones más allá de su singularidad de van Hove. Izquierda:niveles de energía modelados de grafeno con un nivel de Fermi ejemplar (curva blanca) más allá de la singularidad. Antecedentes:superficie experimental de Fermi de grafeno sobredopado. Crédito:Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido / Rosenzweig et al.
Por mas de una decada, Los físicos teóricos han predicho que la singularidad de van Hove del grafeno podría estar asociada con diferentes fases exóticas de la materia, la más notable de las cuales es la superconductividad quiral.
Una singularidad de van Hove es esencialmente un punto no liso en la densidad de estados (DOS) de un sólido cristalino. Cuando el grafeno alcanza o se acerca a este nivel de energía específico, se desarrolla una banda plana en su estructura electrónica que puede ocupar una cantidad excepcionalmente grande de electrones. Esto conduce a fuertes interacciones de muchos cuerpos que promueven o permiten la existencia de estados exóticos de la materia.
Hasta aquí, el grado exacto en que los niveles de energía disponibles de grafeno deben llenarse con electrones (es decir, "dopado") para que las fases individuales se estabilicen ha sido muy difícil de determinar utilizando cálculos de modelos. Identificar o diseñar técnicas que puedan usarse para dopar el grafeno hasta o más allá de la singularidad de van Hove podría conducir en última instancia a observaciones interesantes relacionadas con fases exóticas de la materia. lo que a su vez podría allanar el camino hacia el desarrollo de una nueva tecnología basada en grafeno.
Investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, Alemania ha ideado recientemente un enfoque para sobredopear el grafeno más allá de la singularidad de van Hove. Su método, presentado en un artículo publicado en Cartas de revisión física , combina dos técnicas diferentes, a saber, intercalación de iterbio y adsorción de potasio.
"Una densidad de electrones sintonizable experimentalmente en las proximidades de la singularidad de van Hove sería muy deseable, "Philipp Rosenzweig, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Experimentos anteriores demostraron que el grafeno se puede estabilizar ('fijar') en el nivel de van Hove y que los portadores de carga se pueden eliminar posteriormente de este escenario de fijación. La pregunta que hicimos, sin embargo, ¿Podemos también transferir más electrones a la capa de grafeno, superar la inmovilización de van Hove y el exceso de droga más allá de la singularidad? Aparte de la pura prueba de principio, esto abriría un campo de juego inexplorado de fases correlacionadas con promesas emocionantes ".
Dopar grafeno a la singularidad de van Hove es una tarea desafiante en sí misma, ya que requiere la transferencia de más de 100 billones (10 14 ) electrones por cm 2 sobre la capa de grafeno. El dopaje del grafeno se puede lograr depositando otras especies atómicas encima del mismo, que le donan algunos de sus electrones.
Un método alternativo para dopaje con grafeno, conocido como intercalación, implica intercalar agentes dopantes entre el grafeno y su sustrato de soporte. En la última década, esta técnica ha demostrado ser muy útil para ajustar las propiedades electrónicas del material.
A través de la deposición de potasio (K), un donante de electrones, sobre grafeno preintercalado con iterbio (Yb), el sistema finalmente se ve forzado más allá de su singularidad de van Hove. Al exagerar, los contornos gigantes de la superficie de Fermi se separaron entre sí. Crédito:Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido / Rosenzweig et al.
Típicamente, incluso cuando se combinan los enfoques de deposición e intercalación, la densidad de portadores del grafeno es difícil de aumentar a un valor arbitrario. Esto se debe principalmente a que la transferencia de carga eventualmente se saturará, evitando que sea dopado por encima de cierto nivel.
"Recientemente, descubrimos que la intercalación de ciertos elementos de tierras raras, debido a su enorme eficacia en el dopaje, ya es suficiente para fijar el grafeno en su singularidad de van Hove, ", Dijo Rosenzweig." En ese caso, la superficie del grafeno aún permanece libre para ocupar dopantes adicionales. Partiendo del escenario de van Hove del grafeno intercalado con iterbio, depositando átomos de potasio en la parte superior, así pudimos aumentar la densidad de portadores en otro factor de 1,5, yendo mucho más allá del nivel de singularidad ".
En sus experimentos, los investigadores utilizaron métodos de intercalación de iterbio y adsorción de potasio. Este enfoque les permitió dopar una capa de grafeno colocada sobre un sustrato de carburo de silicio semiconductor (SiC) más allá de la singularidad de van Hove, alcanzando una densidad de portadora de carga de 5,5 x 10 14 cm -2 .
"Podría comparar la estrategia que usamos con una situación de la vida diaria en la que un objeto voluminoso debe ser subido por las escaleras hasta el piso superior (en nuestro caso, más allá de la singularidad de van Hove), ", Explicó Rosenzweig." Esto solo podría ser posible presionando simultáneamente desde abajo (es decir, intercalación de iterbio) y tirando desde la parte superior (es decir, adsorción de potasio) ".
El estudio realizado por Rosenzweig y sus colegas demuestra que el dopaje del grafeno más allá de su singularidad de van Hove en un entorno experimental es de hecho posible. Los investigadores examinaron su sistema de grafeno utilizando una técnica llamada espectroscopia de fotoelectrones de resolución angular. en pruebas realizadas en el sincrotrón BESSY II, Helmholtz-Zentrum Berlín. Este método permite la visualización directa de la estructura de la banda de energía del grafeno y su evolución a través del dopaje.
"La viabilidad del sobredopaje estaba lejos de ser clara anteriormente, como el sistema se fija primero al nivel de singularidad que ocupa una gran cantidad de portadores de carga, ", Dijo Rosenzweig." Prácticamente, llevando el dopaje del grafeno a nuevos niveles, Nuestro estudio también abre un paisaje nuevo e inexplorado en el diagrama de fases de este prototipo de material bidimensional. Como tal, Esperamos que nuestro trabajo contribuya a reforzar la búsqueda de estados fundamentales correlacionados en el grafeno monocapa que definitivamente sería de interés en varios subcampos de la física ".
En el futuro, Los hallazgos reunidos por Rosenzweig y sus colegas podrían abrir nuevas e interesantes posibilidades para el estudio de estados exóticos de la materia en el grafeno que está dopado más allá de su singularidad de van Hove. Es más, Este estudio reciente podría mejorar la comprensión actual de las fuertes interacciones no locales de muchos cuerpos en el grafeno dopado con van Hove que se ha encontrado que tienen efectos de deformación sustanciales en sus niveles de energía. Los investigadores demostraron que tales efectos todavía están presentes en el régimen sobredopado y que se vuelven cada vez más a medida que el grafeno se acerca a la singularidad de van Hove. Los datos que recopilaron también podrían inspirar el desarrollo de nuevos modelos teóricos que vayan más allá de la teoría líquida convencional de Fermi.
"Ahora que podemos ajustar de forma rutinaria el nivel de dopaje en experimentos en torno al nivel de van Hove, buscamos cualquiera de las diversas fases exóticas que predice la teoría, ", Concluyó Rosenzweig." Para disparar a las estrellas, La realización de una superconductividad no convencional en una monocapa de grafeno epitaxial sería, por supuesto, un descubrimiento revolucionario que algún día podría conducir a aplicaciones tecnológicas. En todo caso, se avecinan tiempos emocionantes para el grafeno dopado de van-Hove ".
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