Un giro en el grafeno puede hacer que los dispositivos electrónicos sean afinables

Un solo material puede ser "torcido" en varios componentes de un circuito con distintas propiedades electrónicas.

Última Actualización en: septiembre 12, 2018

La elaboración de un espacio en el grafeno se ha convertido casi en un rito de paso para los grupos de investigación que trabajan con el material. Mientras que muchos han logrado esta hazaña, muchos más han descartado el grafeno en aplicaciones de lógica digital debido al hecho de que hay que darle una brecha de banda.

Resulta que toda esa ingeniería del grafeno ha revelado otra característica: propiedades electrónicas sintonizables. Esto se logra combinando el grafeno con otro material que tiene un espacio de banda muy grande, como el nitruro de boro -llamado heteroestructuras- o dando al grafeno un giro.

Ahora, un equipo internacional de investigadores de la Universidad de Columbia, el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Tsukuba, Japón, y el Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) de Francia han superado algunas de las limitaciones a las que se han enfrentado los intentos anteriores de torcer el grafeno.

En una investigación descrita en la revista Science, el grupo demostró una prueba de principio para una técnica de torsión que utiliza heteroestructuras de grafeno/nitruro de boro. Demostraron que su técnica puede controlar la rotación del grafeno, y demostraron cómo las propiedades eléctricas, ópticas e incluso mecánicas del dispositivo pueden variar dinámicamente con esta técnica.

Al encontrar una manera de cambiar el ángulo de giro del grafeno en relación con el nitruro de boro e incluso alterar ese ángulo después de la fabricación, los investigadores creen que este nuevo enfoque podría conducir a nuevos tipos de dispositivos electrónicos.

Toda esta torsión del grafeno con otros materiales bidimensionales (2D) ocurre porque hay muy baja fricción entre ellos. Además, no hay una fuerte unión química entre los planos de cristal, por lo que se deslizan fácilmente unos sobre otros. Los investigadores se dieron cuenta de que un beneficio de la baja fricción de deslizamiento es que los dispositivos podrían ser diseñados intencionalmente para ser rotatorios, según Cory Dean, profesor asistente de Columbia y coautor de la investigación.

“En nuestro proceso de fabricación, estructuramos el material a rotar en la forma física de un engranaje”, dijo Dean. “A continuación, utilizamos técnicas en las que fuimos pioneros para recoger mecánicamente este engranaje de tamaño nanométrico (en este caso, nitruro de boro) y colocarlo sobre la parte superior de la zona del dispositivo activo (en este caso, grafeno). Una vez en su lugar, usamos un microscopio de fuerza atómica para empujar un diente del engranaje, haciéndolo girar”.

La capacidad de cambiar la respuesta electrónica fundamental de un material mediante un simple giro es un nuevo tipo de control.

Lo que sucede con las propiedades electrónicas del grafeno y el nitruro de boro cuando se retuercen en relación con los demás es un poco más complicado.

En primer lugar, el nitruro de boro y el grafeno tienen estructuras de celosía similares en forma de panal, con sólo un ligero desajuste en sus celosías. Cuando se colocan en contacto en una alineación de ángulo cero, la pequeña diferencia en las celosías da lugar a un patrón de moiré de longitud de onda larga, o patrón de interferencia. Este patrón de moiré refleja la escala de longitud sobre la cual las dos celosías localmente pasan de ser casi proporcionales a ser lo más inconmensurables posible.

Para los electrones que se mueven a través de la capa de grafeno, la superred de moiré actúa como un potencial de dispersión periódica. Los electrones se dispersan fuera de esta superred de moire, lo que modifica su estructura de banda. En un ángulo de cero, esto da lugar a una separación de banda. Cuando el ángulo se incrementa desde cero, la escala de longitud del patrón del moiré cambia y su influencia disminuye, de modo que más allá de unos 5 grados, los electrones que se mueven a través del grafeno ven muy poco efecto del nitruro de boro, y se recuperan las propiedades intrínsecas del grafeno.

Desde el punto de vista de la ingeniería de dispositivos, según Dean, la capacidad de cambiar dinámicamente la respuesta electrónica fundamental de un material a través de un simple giro es un nuevo tipo de control que es difícil de lograr en materiales convencionales.

“La capacidad de ajustar las propiedades de un material en capas variando el ángulo de torsión proporciona la posibilidad de que una sola plataforma de material realice una variedad de funciones”, dijo Dean. “Por ejemplo, los circuitos electrónicos se construyen a partir de un número finito de componentes que incluyen conductores metálicos, aisladores, semiconductores y materiales magnéticos. Este proceso requiere la integración de una variedad de materiales diferentes y puede plantear un importante desafío de ingeniería. En contraste, un solo material que puede ser’retorcido’ localmente para realizar cada uno de estos componentes podría permitir nuevas e importantes oportunidades de ingeniería”.

Un ejemplo claro de lo que podría significar esta sintonía es el área de conmutación. Los interruptores tradicionales suelen variar entre dos estados bien definidos (encendido o apagado, magnético o no, y así sucesivamente). Esta nueva plataforma podría permitir cambiar entre un número arbitrario de estados complementarios.

Hasta ahora, los investigadores sólo han considerado el grafeno y el nitruro de boro. Sin embargo, existe una gran clase de materiales 2D que pueden integrarse entre sí, albergando una variedad de propiedades intrínsecas (metálicas, aislantes, semiconductoras, magnéticas, superconductoras, etc.). La forma exacta en que se acoplan y la forma en que estas propiedades interactúan dependen a menudo del ángulo de rotación.

Dean añadió: “La capacidad de torcer estas nuevas heteroestructuras proporciona una nueva y vasta oportunidad para realizar interacciones sintonizables entre materiales con propiedades complementarias”.

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