Súper fuerte y con un solo átomo de espesor, el grafeno promete ser un nanomaterial para todo, desde la microelectrónica hasta el almacenamiento de energía limpia. Pero la falta de una propiedad ha limitado su uso. Ahora, investigadores de la Universidad de Princeton y el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han superado ese problema utilizando plasma de baja temperatura, creando una técnica novedosa que abre la puerta a una amplia gama de aplicaciones industriales y científicas para el prometedor nanomaterial.

Más fuerte que el acero

El grafeno, que es más duro que los diamantes y más fuerte que el acero, podría ser la base de las tecnologías de próxima generación. Pero la ausencia de una propiedad llamada banda prohibida en el grafito de mina de lápiz que compone el grafeno restringe su capacidad para funcionar como semiconductor, el material en el corazón de los dispositivos microelectrónicos. Los semiconductores aíslan y conducen la corriente eléctrica, pero aunque el grafeno es un excelente conductor, no puede servir como aislante sin una banda prohibida.

"La gente usa silicio que tiene una banda prohibida para los semiconductores", dijo Fang Zhao, autor principal de un artículo en la revista Carbon. que describe el nuevo proceso. "Abrir una brecha de banda considerable en el grafeno ha dado lugar a intensos estudios para el uso de semiconductores", dijo Zhao, físico del Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) que escribió el artículo mientras era investigador postdoctoral en Princeton.

El dilema ha llevado a científicos de todo el mundo a explorar formas de producir una brecha de banda en el grafeno para expandir sus aplicaciones potenciales. Un método popular ha sido modificar químicamente la superficie del grafeno con hidrógeno, un proceso llamado "hidrogenación". Pero la forma convencional de hacerlo produce grabados y chisporroteos irreversibles que pueden dañar gravemente la superficie del grafeno, conocido como material 2D debido a su naturaleza ultrafina, en cuestión de segundos o minutos.

Los científicos de Princeton y PPPL ahora han demostrado que un método novedoso para hidrogenar grafeno puede abrir la puerta de manera segura a una amplia gama de aplicaciones microelectrónicas. El método marca una nueva forma de producir plasma de hidrógeno que amplía sustancialmente la cobertura de hidrógeno en el material 2D. "Este proceso crea tratamientos de hidrógeno mucho más largos debido a su bajo daño de grafeno", dijo Zhao.

El plasma, el estado cargado y caliente de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, constituye el 99 por ciento del universo visible. El plasma de hidrógeno a baja temperatura que PPPL ha desarrollado para hidrogenar grafeno contrasta con los plasmas de fusión de un millón de grados que durante mucho tiempo han sido el sello distintivo de la investigación de PPPL, cuyo objetivo es desarrollar energía de fusión segura, limpia y abundante para generar electricidad.

Spin-off de Ptolomeo

El nuevo método se deriva de un experimento llamado Ptolomeo, un proyecto de la Universidad que el físico de Princeton Chris Tully ha estado desarrollando con la ayuda de Zhao. Ese proyecto utiliza la descomposición del tritio, el isótopo radiactivo del hidrógeno, en un esfuerzo por capturar neutrinos reliquia que surgieron segundos después del Big Bang que creó el universo. Estas reliquias podrían arrojar nueva luz sobre el Big Bang, según el proyecto Ptolomeo.

Para mejorar la tasa de detección de la descomposición, Tully recurrió al físico de PPPL Yevgeny Raitses, quien dirige la investigación de plasma de baja temperatura en PPPL. "La disposición de PPPL para unir fuerzas y generar propiedades transformacionales de materiales 2D es inspiradora", dijo Tully. "Romper el récord mundial en rendimiento de hidrogenación de grafeno es un tributo a las capacidades únicas de PPPL".

Raitses y sus colegas desarrollaron un método para expandir la cobertura de hidrógeno en el grafeno que alberga la descomposición del tritio. El proceso aumenta en gran medida las futuras aplicaciones del grafeno. "Este spin-off de Ptolomeo ahora se puede usar para microelectrónica, QIS [ciencia de la información cuántica] y otras aplicaciones", dijo Raitses. "El método también se puede aplicar a otros materiales 2D".

El spin-off combina campos eléctricos y magnéticos para producir un plasma de hidrógeno que entrega abundante hidrógeno con poco daño al grafeno. Este método suave y bien controlado es en sí mismo un derivado de la investigación que Raitses desarrolló mientras estudiaba los propulsores Hall, motores de propulsión de naves espaciales basados ​​en plasma. La técnica ha hidrogenado el grafeno durante un máximo de 30 minutos en experimentos PPPL, aumentando en gran medida la cobertura de hidrógeno y abriendo una brecha de banda que convierte el grafeno en material semiconductor.

Todo esto, dice el Carbono paper, crea un método atractivo para hacer que los materiales 2D sean "[fuentes] emocionantes y prometedoras para amplias aplicaciones".

También colaboraron en este artículo los físicos de Princeton Chris Tully y Andi Tan, junto con el químico Xiaofang Yang del Departamento de Ingeniería Química y Biológica de Princeton. El apoyo para este trabajo proviene de la Oficina de Ciencias del DOE (FES) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea. + Explora más

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