Investigadores rusos han propuesto un nuevo método para sintetizar nanocintas de grafeno de alta calidad, un material con potencial para aplicaciones en electrónica flexible. células solares, LEDs, láseres y más. Presentado en La Revista de Química Física C , el enfoque original de la deposición química de vapor, ofrece un mayor rendimiento a un menor costo, en comparación con el autoensamblaje de nanocintas utilizado actualmente en sustratos de metales nobles.

La electrónica basada en silicio se está acercando constantemente a sus límites, y uno se pregunta qué material podría dar a nuestros dispositivos el próximo gran impulso. Grafeno la hoja 2-D de átomos de carbono, me viene a la mente, pero a pesar de todas sus famosas propiedades electrónicas, no tiene lo que se necesita:a diferencia del silicio, el grafeno no tiene la capacidad de cambiar entre un estado conductor y no conductor. Esta característica definitoria de los semiconductores como el silicio es crucial para crear transistores, que subyacen a toda la electrónica.

Sin embargo, una vez que cortas el grafeno en tiras estrechas, obtienen propiedades semiconductoras, siempre que los bordes tengan la geometría correcta y no existan defectos estructurales. Estas nanocintas ya se han utilizado en transistores experimentales con características razonablemente buenas, y la elasticidad del material significa que los dispositivos se pueden hacer flexibles. Si bien es un desafío tecnológico integrar materiales 2-D con electrónica 3-D, No hay razones fundamentales por las que las nanocintas no puedan reemplazar al silicio.

Una forma más práctica de obtener nanocintas de grafeno no es cortando láminas de grafeno o nanotubos, sino al revés. haciendo crecer el material átomo por átomo. Este enfoque se conoce como síntesis ascendente, y a diferencia de su contraparte de arriba hacia abajo, rinde estructuralmente perfecto, y, por tanto, tecnológicamente útil, nanocintas. El método actualmente dominante para la síntesis ascendente, conocido como autoensamblaje, es costoso y difícil de ampliar para la producción industrial, por lo que los científicos de materiales están buscando alternativas.

"Las nanocintas de grafeno son un material cuyas propiedades son de interés para la ciencia fundamental y prometen aplicaciones en todo tipo de dispositivos futuristas. Sin embargo, la técnica estándar para su síntesis tiene algunos inconvenientes, "explicó Pavel Fedotov, investigador senior del Laboratorio de Materiales Nanocarbonados del MIPT. "Mantener un vacío ultra alto y utilizar un sustrato de oro es muy costoso, y la producción de material es comparativamente baja ".

"Mis colegas y yo hemos propuesto una forma alternativa de sintetizar nanocintas atómicamente impecables. No solo funciona al vacío normal y con el sustrato de níquel mucho más barato, el rendimiento aumenta en virtud de que las nanocintas se producen como películas multicapa, en lugar de individualmente. Para separar estas películas en cintas monocapa, se ponen en suspensión, ", prosiguió el investigador." Lo que es más importante, nada de eso compromete la calidad del material. Confirmamos la ausencia de defectos obteniendo los perfiles de dispersión Raman apropiados y observando la fotoluminiscencia de nuestras nanocintas ".

Las nanocintas de grafeno vienen en diferentes tipos, y los que los científicos rusos fabricaron utilizando su técnica de deposición química de vapor original tienen la estructura que se muestra a la derecha en la figura. Tienen siete átomos de ancho y los bordes que alguien encontró recuerdan a un sillón. de ahí el nombre:nanocintas de grafeno 7-A. Este tipo de nanocintas tiene propiedades semiconductoras valiosas para la electrónica, a diferencia de su primo 7-Z con bordes en zigzag (que se muestra a la izquierda), que se comporta como un metal.

La síntesis ocurre en un tubo de vidrio hermético evacuado a una millonésima parte de la presión atmosférica estándar, que sigue siendo 10, 000 veces más alto que el vacío ultra alto que normalmente se requiere para el autoensamblaje de nanocintas. El reactivo inicial utilizado es una sustancia sólida que contiene carbono, hidrógeno, y bromo y conocido como DBBA. Se coloca en el tubo con una lámina de níquel, precocido a 1, 000 grados Celsius para eliminar la película de óxido. Luego, el tubo de vidrio con DBBA se somete a un tratamiento térmico durante varias horas en dos etapas:primero a 190 C, luego a 380 C. El primer calentamiento conduce a la formación de moléculas de polímero largas, y durante la segunda etapa, se transforman en nanocintas con estructura atómicamente precisa, densamente empaquetados en películas de hasta 1, 000 nanómetros de espesor.

Después de obtener las películas, los investigadores los suspendieron en una solución y los expusieron a ultrasonidos, dividiendo las "pilas" multicapa en nanocintas de carbono de un átomo de espesor. Los disolventes utilizados fueron clorobenceno y tolueno. Experimentos anteriores demostraron que estos productos químicos son óptimos para suspender nanocintas de manera estable, evitando la agregación en pilas y la aparición de defectos estructurales. El control de calidad de nanocintas también se realizó en suspensión, Vía métodos ópticos:El análisis de los datos de fotoluminiscencia y dispersión Raman confirmó que el material no tenía defectos significativos.

Debido a que la nueva tecnología de síntesis para la fabricación de nanocintas de carbono 7-A multicapa sin defectos es comparativamente barata y fácil de ampliar, es un paso importante hacia la introducción de ese material en la producción a gran escala de dispositivos electrónicos y ópticos que eventualmente superarían ampliamente a los que existen en la actualidad.

"La experiencia demuestra que una vez que se descubre un nuevo material de carbono, eso significa nuevas propiedades y nuevas aplicaciones. Y las nanocintas de grafeno no fueron diferentes, "el jefe del Laboratorio MIPT de Materiales Nanocarbonados, Elena Obraztsova recordó. "Inicialmente, nanocintas se sintetizaron dentro de nanotubos de carbono de pared simple, que sirvió para restringir el ancho de la cinta. Fue en estas nanocintas incrustadas donde se demostró originalmente la luminiscencia, con sus parámetros que varían con la geometría de los nanotubos ".

"Nuestro nuevo enfoque, la deposición de vapor químico de abajo hacia arriba, permite producir cintas de grafeno ultradelgadas en grandes cantidades y en condiciones bastante suaves:vacío moderado, sustrato de níquel. El material resultante exhibe fotoluminiscencia excitónica brillante. Es prometedor para muchas aplicaciones en óptica no lineal, que vamos a perseguir, ", agregó el investigador.