Los investigadores de Graphene Flagship resolvieron uno de los desafíos de hacer que el grafeno nanoelectrónico sea efectivo: dividir el grafeno en dimensiones a nanoescala sin arruinar sus propiedades eléctricas. Esto les permitió alcanzar corrientes eléctricas de órdenes de magnitud más altas que las alcanzadas anteriormente para estructuras similares.

El trabajo (Nature Nanotechnology , “Ingeniería de estructura de bandas litográficas de grafeno“) muestra que las propiedades de transporte cuánticas necesarias para la electrónica futura pueden sobrevivir a escalas a dimensiones nanométricas.

Desde su inicio, los científicos han tratado de explotar el grafeno para producir productos electrónicos de tamaño nanométrico. Sin embargo, dado que el grafeno solo tiene un átomo de espesor, todos los átomos están expuestos al mundo exterior, e incluso pequeñas cantidades de defectos e impurezas impiden sus propiedades.

Ahora, los investigadores de Graphene Flagship en DTU, Dinamarca, resolvieron este problema protegiendo el grafeno con capas aislantes de nitruro de boro hexagonal, otro material bidimensional con propiedades aislantes.

Peter Bøggild, investigador de DTU, socio de Graphene Flagship y coautor del artículo, explica que aunque “el grafeno es un material fantástico que podría desempeñar un papel crucial en la fabricación de nuevos dispositivos electrónicos de tamaño nanométrico, todavía es extremadamente difícil controlar sus propiedades eléctricas“.

Desde 2010, los científicos de DTU han intentado adaptar las propiedades eléctricas del grafeno, haciendo un patrón muy fino de orificios, de modo que se formen canales a través de los cuales puede fluir libremente una energía eléctrica.

“La creación de grafeno nanoestructurado resultó ser increíblemente difícil, ya que incluso los pequeños errores eliminan todas las propiedades que diseñamos para tener” / Bøggild.

Ahora, los investigadores de DTU, socio de Graphene Flagship, dieron un salto adelante. Bjarke Jessen y Lene Gammelgaard encapsularon grafeno con otro material 2D, nitruro de boro hexagonal, que es muy similar al grafeno, pero eléctricamente aislante. Luego, utilizando nanolitografía, perforaron cuidadosamente agujeros nanoscópicos en grafeno a través de la capa protectora de nitruro de boro. Los orificios tienen un diámetro de aproximadamente 20 nanómetros, y están separados entre sí con solo 12 nanómetros. Esta gran precisión hace posible enviar una corriente eléctrica a través del grafeno que es 100-1000 veces más alto que los números típicos de nanographene tallado litográficamente.

“Cuando haces patrones en un material como el grafeno, lo haces para cambiar sus propiedades. Sin embargo, lo que hemos visto a lo largo de los años es que cuando configuramos el grafeno en esta escala fina, ya no se comporta como el grafeno, hay demasiado desorden”, explica Bøggild.

“Muchos científicos han abandonado la nanolitografía en el grafeno en esta escala, pero ahora hemos descubierto cómo se puede hacer, se podría decir que la maldición ha desaparecido”

“Hemos demostrado que podemos controlar la estructura de bandas del grafeno y que el diseño determinista de la nanoelectrónica es realista. Al observar únicamente la electrónica, esto significa que podemos hacer aisladores, transistores, conductores e incluso superconductores, ya que nuestra nanolitografía puede preservar la sutil física entre capas que recientemente se demostró que conduce a la superconductividad en el grafeno de doble capa. Sin embargo, va mucho más allá de eso. Cuando controlamos la estructura de la banda, tenemos acceso a todas las propiedades del grafeno. En otras palabras, podríamos sentarnos frente a la computadora e idear otras aplicaciones, y luego ir al laboratorio y hacer que sucedan “, dice Bøggild.

Hay un montón de desafíos prácticos, Daniel Neumaier, líder de la división de productos emblemáticos de grafeno para la integración de la electrónica y la fotónica dice: El control de las propiedades electrónicas del grafeno por nano-pattering ofrece un grado adicional de libertad para el diseño de dispositivos electrónicos y fotónicos, que hasta ahora no era accesible. Los investigadores de DTU, socio de Graphene Flagship, y sus compañeros de trabajo ahora descubrieron una forma única de nano-modelado de grafeno sin ver las limitaciones de los defectos introducidos en los patrones. Este fue el paso clave para el uso de las propiedades electrónicas de grafeno inducidas por nano-patrones en dispositivos reales y esperamos avances significativos, especialmente para la nanoelectrónica y la fotónica basados ​​en estos resultados “.

Andrea C. Ferrari, Oficial de Ciencia y Tecnología de Graphene Flagship y Presidente de su Panel de Administración, agregó que el patrón de grafeno para crear dispositivos nanoelectrónicos fue uno de los primeros intentos de explotar este material único en dispositivos. Sin embargo, después de una ola inicial de publicaciones, la cantidad de daño producido fue tanto que esta línea de investigación fue casi totalmente abandonada. El trabajo que se presenta aquí muestra cómo la naturaleza a largo plazo de Flagship permite a los científicos perseguir y resolver incluso problemas aparentemente intratables. Esto rejuvenecerá el interés en la nanoelectrónica de grafeno y podría llevar a una variedad de dispositivos útiles, previamente obstaculizados por defectos ‘.

Fuente: Graphene Flagship