La separación de bandas de ingeniería acerca el grafeno al desplazamiento del silicio

El grafeno puede ser el mejor conductor de electrones que conocemos. Sin embargo, como conductor puro no puede detener el flujo de electrones como un semiconductor como el silicio. La capacidad del silicio de crear un estado de encendido/apagado para el flujo de electrones permite crear el «0» y el «1» de la lógica digital binaria para la computación.

Aunque muchos creen que esto ha eliminado el grafeno de la ejecución de aplicaciones de lógica digital que dependen de la activación y desactivación del flujo de electrones, no ha impedido a los investigadores ver si hay una manera de crear una brecha de banda que haga que el grafeno se comporte como un semiconductor. La presión de la Ley de Moore sobre el silicio es demasiado para no buscar una solución en cada esquina.

El problema con estos huecos de banda diseñados es que se producen a costa de comprometer las propiedades electrónicas del grafeno que eran tan atractivas en primer lugar, sobre todo su alta conductividad.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Columbia ha desarrollado un material basado en gráficos que tiene una brecha significativa en la banda sin tener que sacrificar sus atractivas propiedades electrónicas.


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En una investigación descrita en la revista Nature, los investigadores de Columbia han creado lo que se conoce como una heterostructura van der Waal (vdW), una combinación de diferentes materiales bidimensionales (2D) unidos por fuerzas a escala atómica conocidas como fuerzas van der Waal. Los investigadores han proporcionado un nuevo nivel de comprensión acerca de por qué las separaciones de banda emergen en estas heteroestructuras vdW, y cómo modificar el apilamiento entre las capas 2D para abrir una separación de banda mucho mayor, potencialmente incluso sin presión.

Los investigadores experimentaron con heteroestructuras de vdW que consisten en grafeno encapsulado entre dos escamas de nitruro de boro, un aislante. La nueva técnica empleada es aplicar presión hidrostática (uniforme) a esta pila de materiales 2D en capas. Hacen esto con un aparato llamado «célula de presión pistón-cilindro».

«De hecho, la heteroestructura se asienta en un baño de aceite dentro de una taza de teflón, y esta taza se comprime de manera que todo lo que hay dentro se siente a una presión alta y uniforme», explicó Matthew Yankowitz, científico investigador posdoctoral de Columbia y autor principal de la investigación.

Esta aplicación de presión aprieta todas las capas 2D de la heterostructura más cerca unas de otras, según Yankowtiz.

«Este es el punto más importante del estudio -hemos sabido durante años que apilar varios materiales 2D uno encima del otro puede resultar en propiedades electrónicas emergentes distintas de las que se encuentran en cualquiera de los materiales constituyentes solamente, y este efecto surge del acoplamiento electrónico entre las diferentes capas de materiales vecinos», dijo Yankowitz. «Aplicando presión ahora nos permite sintonizar la fuerza de este acoplador electrónico intercalado, y como resultado sintonizar las propiedades de la heteroestructura vdW, controlando cuán cerca se sitúan las capas 2D entre sí.»


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En general, para que los vacíos de banda sean efectivos en detener el flujo de electrones para su uso en transistores, los electronVoltios (eV) -una medida de la magnitud de la barrera de energía por la cual los electrones no pueden conducir electricidad a través del material- deben ser mucho mayores que la energía de las fluctuaciones térmicas de los electrones a temperatura ambiente. Por ejemplo, en el silicio la separación de banda es de aproximadamente 1,1 eV, mientras que las fluctuaciones de la temperatura ambiente son de aproximadamente 0,025 eV.

Yankowitz admite que, con su nuevo enfoque, sólo han sido capaces de lograr separaciones de banda de poco más de 0,05 eV, que todavía está lejos de ser lo suficientemente grande como para

This artistic rendering magnifies a switch researchers have developed within a computer chip to control for loss of photons when light is reduced to a nanoscale. (Virginia Commonwealth University image/Nathaniel Kinsey)

ser útil. Sin embargo, es un aumento significativo con respecto a las anteriores heteroestructuras de grafeno/nitruro de boro vdW que sólo han alcanzado 0,035eV. Aunque todavía está lejos de la brecha de banda de 1,1 eV de silicio, Yankowitz ve esta investigación como un buen primer paso.

«Nuestros resultados sugieren que al aplicar aún más presión podríamos hacer la brecha mucho más grande, dijo Yankowitz. «Lo que es más importante, tenemos un entendimiento mucho más claro de por qué existe esta brecha en primer lugar, lo que podría ayudarnos a enfocarnos más eficientemente en maneras de mejorarla incluso sin usar presión».

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Recientes investigaciones fuera de España han demostrado que es posible cultivar grafeno de «abajo hacia arriba» para que empiece a tener una separación de banda similar a la del silicio de 1,1 eV.

Yankowitz está impresionado con esta línea de investigación, especialmente desde que reportaron que han demostrado un dispositivo de prueba de principio basado en el material que funciona a temperatura ambiente. Sin embargo, Yankowitz señala que han tenido que inducir un desorden significativo en la red de grafeno, sacrificando su alta calidad electrónica intrínseca.

«Lo ideal sería que quisiéramos una gran brecha al mismo tiempo que conservamos la red de grafeno prístina y libre de trastornos», dijo Yankowitz. «Nuestro trabajo nos lleva a esto, pero desafortunadamente la brecha sigue siendo demasiado pequeña como para pensar en crear un dispositivo que funcione a temperatura ambiente en este momento, y no es inmediatamente obvio cómo podríamos hacer esto».

En futuras investigaciones, Yankowitz y sus colegas probarán otros materiales 2D que exhiben una amplia gama de propiedades electrónicas deseables. Es la mezcla y combinación de materiales 2D para adaptar las propiedades electrónicas lo que impulsará el trabajo en el futuro.

Yankowitz agregó: «Nuestra investigación demuestra de manera más general que las propiedades de las heterostructuras arbitrarias 2D vdW son sintonizables con la presión siempre y cuando dependan de alguna manera de las interacciones entre capas que las acoplan. Esto abre una nueva vía para crear propiedades electrónicas de’diseñador’ en estas heteroestructuras 2D vdW con presión, y debería permitirnos inducir y/o controlar nuevas propiedades de dispositivos que involucren magnetismo, superconductividad, y más».


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