El grafeno ha deslumbrado a los científicos desde su descubrimiento hace más de una década con sus propiedades inigualables electrónicos, fuerza y peso ligero. Pero una meta largamente buscada ha resultado difícil: ¿Cómo el ingeniero en el grafeno de una propiedad llamada brecha de banda, lo que sería necesario utilizar el material para hacer transistores y otros dispositivos electrónicos.
Ahora, los nuevos hallazgos de investigadores del MIT son un paso importante hacia la fabricación de grafeno con esta propiedad codiciada.El trabajo también podría dar lugar a la revisión de las predicciones teóricas de la física de grafeno.
De izquierda a derecha: Prof. Ray Ashoori, postdoctorados Andrea Young y Ben Hunt, el estudiante graduado de Javier Sánchez-Yamagishi, y el Prof. Pablo Jarillo-Herrero.(Foto: Jarillo-Herrero y grupos Ashoori)
La nueva técnica consiste en colocar una hoja de grafeno, un material a base de carbono cuya estructura es sólo un átomo de espesor, en la parte superior de nitruro de boro hexagonal, otro material de un átomo de espesor con propiedades similares. Increíble capacidad del material de las acciones de grafeno resultante para conducir electrones, mientras que la adición de la brecha necesaria para formar transistores y otros dispositivos semiconductores de banda.
El trabajo se describe en un artículo en la revista Ciencia co-escrito por Pablo Jarillo-Herrero, el Asistente de Desarrollo Profesional Mitsui Profesor de Física en el MIT, el profesor de Física Ray Ashoori, y otros 10.
"Mediante la combinación de dos materiales," Jarillo-Herrero dice, "Hemos creado un material híbrido que tiene propiedades diferentes a cualquiera de los dos."
El grafeno es una muy buena conductor de electrones, mientras que el nitruro de boro es un buen aislante, que bloquea el paso de electrones."Hicimos un semiconductor de alta calidad, al unirlos", explica Jarillo-Herrero. Semiconductors, que pueden cambiar entre conductores y aislantes estados, son la base de toda la electrónica moderna.
Para que el material híbrido, los investigadores tuvieron que alinear, con cerca de la perfección, las celosías atómicos de los dos materiales, que ambos consisten en una serie de hexágonos. El tamaño de los hexágonos (conocida como la constante de red) en los dos materiales es casi el mismo, pero no del todo: Los que están en nitruro de boro son 1,8% más grande. Así, mientras que es posible alinear los hexágonos hasta casi a la perfección en un solo lugar, en un área mayor del patrón entra y sale de la caja registradora.
Llegados a este punto, los investigadores dicen que deben confiar en la posibilidad de obtener la alineación angular para la electrónica deseada propiedades de la pila resultante. Sin embargo, la alineación resulta ser correcta acerca de una vez de cada 15, dicen.
"Las cualidades del nitruro de boro sangrar más en el grafeno", dice Ashoori. Pero lo que es más "espectacular", añade, es que las propiedades de los semiconductores resultante puede ser "sintonizada" con solo girar ligeramente una hoja con respecto al otro, lo que permite una gama de materiales con diversas características electrónicas.
Otros han hecho el grafeno en un semiconductor mediante el grabado de las hojas en tiras estrechas, Ashoori dice, pero este enfoque se degrada sustancialmente las propiedades eléctricas del grafeno. Por el contrario, el nuevo método parece no producir tal degradación.
La brecha de banda creada hasta el momento en el material es menor que la necesaria para los dispositivos electrónicos prácticos;. encontrar maneras de aumentarla se requerirá un trabajo adicional, los investigadores afirman que
"Si una gran brecha de banda podría ser diseñado, podría tener aplicaciones en todos los productos electrónicos digitales ", dice Jarillo-Herrero. Pero incluso en su nivel actual, añade, este enfoque podría aplicarse a algunas aplicaciones optoelectrónicas, como fotodetectores.
Los resultados "nos sorprendió gratamente," Ashoori dice, y requerirán una explicación por los teóricos. Debido a la diferencia en las constantes de red de los dos materiales, los investigadores habían predicho que las propiedades del híbrido podría variar de un lugar a otro. En cambio, encontraron una, brecha de banda constante, e inesperadamente grande en toda la superficie.
Además, Jarillo-Herrero dice, la magnitud del cambio en las propiedades eléctricas producidas por poner los dos materiales juntos "es mucho más grande que la teoría predice."
El equipo del MIT también se observa un interesante fenómeno físico.Cuando se expone a un campo magnético, el material presenta propiedades fractales, conocidos como un espectro de energía de la mariposa Hofstadter, que se describió hace décadas por los teóricos, pero creía imposible en el mundo real. Hay una intensa investigación en esta área, otros dos grupos de investigación también informan sobre estos efectos mariposa Hofstadter esta semana en la revista Naturaleza .
La investigación incluyó a investigadores postdoctorales Ben Hunt y Andrea Young y el estudiante graduado Javier Sánchez-Yamagishi, así como otros seis investigadores de la Universidad de Arizona, el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales en Tsukuba, Japón, y la Universidad de Tohoku en Japón. El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Nacional de Ciencia.
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