El nanofibón de grafeno (centro) consta de una sola capa de átomos de carbono en forma de panal. La cinta tiene solo unos pocos átomos de carbono de ancho y tiene diferentes propiedades eléctricas dependiendo de su forma y ancho. La densidad local de los electrones aumenta en los bordes, como muestran las áreas de color rojo oscuro en las cajas. (Imagen: Jan-Philip Joost, AG Bonitz)

Se necesitan nuevos materiales para reducir aún más el tamaño de los componentes electrónicos y así hacer que dispositivos como computadoras portátiles y teléfonos inteligentes sean más rápidos y eficientes. Pequeñas nanoestructuras del material novedoso grafeno son prometedoras a este respecto.

El grafeno consiste en una sola capa de átomos de carbono y, entre otras cosas, tiene una conductividad eléctrica muy alta. Sin embargo, el confinamiento espacial extremo en tales nanoestructuras influye fuertemente en sus propiedades electrónicas.

Un equipo dirigido por el profesor Michael Bonitz del Instituto de Física Teórica y Astrofísica (ITAP) de la Universidad de Kiel ahora ha logrado simular el comportamiento detallado de los electrones en estas nanoestructuras especiales utilizando un modelo computacional elaborado. Este conocimiento es crucial para el uso potencial de nanoestructuras de grafeno en dispositivos electrónicos.

Simulación precisa de las propiedades de los electrones en nanoestructuras.

El año pasado, dos equipos de investigación lograron, independientemente uno del otro, fabricar nanoribones de grafeno estrechos y atómicamente precisos y medir sus energías electrónicas. El ancho de los nanoribones varía de manera controlada con precisión. Cada sección de los nanoribones tiene sus propios estados de energía con su propia estructura electrónica.

«Sin embargo, los resultados de las mediciones no pudieron ser reproducidos completamente por modelos teóricos previos», dice Bonitz, quien encabeza la Cátedra de Física Estadística en ITAP. Junto con su estudiante de doctorado Jan-Philip Joost y su colega danés Profesor Antti-Pekka Jauho de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), desarrollaron un modelo mejorado que condujo a un excelente acuerdo con los experimentos.

Los físicos presentan sus resultados teóricos en la edición actual de la renombrada revista Nano Letters ( «Estados topológicos correlacionados en heteroestructuras de grafeno nanoribón» ).

La base de las nuevas y más precisas simulaciones por computadora fue la suposición de que las desviaciones entre el experimento y los modelos anteriores fueron causadas por los detalles de la repulsión mutua de los electrones. Aunque esta interacción de Coulomb también existe en metales, y de hecho se incluyó en simulaciones anteriores de manera aproximada, el efecto es mucho mayor en los nanoribones de grafeno pequeños y requiere un análisis detallado.

Los electrones son expulsados ​​de sus estados de energía originales y tienen que ‘buscar’ otros lugares, como explica Bonitz: «Pudimos demostrar que los efectos de correlación debidos a la interacción de Coulomb de los electrones tienen una influencia dramática en el espectro de energía local».

La forma de los nanoribones determina sus propiedades electrónicas

El equipo ha aclarado cómo los valores de energía permisibles de los electrones dependen de la longitud, el ancho y la forma de las nanoestructuras al investigar muchos de estos nanoribones.

«El espectro de energía también cambia cuando se modifica la geometría de los nanoribones, su ancho y forma», agrega Joost.

«Por primera vez, nuestros nuevos datos permiten hacer predicciones precisas sobre cómo se puede controlar el espectro de energía variando específicamente la forma de los nanoribones», dice Jauho de la DTU en Copenhague.

Los investigadores esperan que estas predicciones ahora también se prueben experimentalmente y conduzcan al desarrollo de nuevas nanoestructuras. Dichos sistemas pueden hacer contribuciones importantes para una mayor miniaturización de la electrónica.

Fuente: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel