Investigadores de China y Estados Unidos han creado un semiconductor funcional hecho de grafeno, una hazaña que describen como una novedad. Al ampliar las técnicas de fabricación existentes, Walter de Heer y colegas de la Universidad de Tianjin y el Instituto de Tecnología de Georgia han creado una banda prohibida en el material 2D, conservando al mismo tiempo las propiedades robustas y fácilmente sintonizables del grafeno.
El silicio es la columna vertebral de la electrónica semiconductora moderna. Sin embargo, las últimas tecnologías basadas en silicio están siendo llevadas al límite por nuestra incesante demanda de mayores velocidades informáticas, menor consumo de energía y dispositivos más compactos.
Desde hace dos décadas, los investigadores han explorado la posibilidad de que el grafeno pueda proporcionar una alternativa práctica al silicio. Aislado por primera vez en 2004, el grafeno es una lámina de carbono de sólo un átomo de espesor. Desde entonces, los investigadores han descubierto que el grafeno tiene una serie de propiedades que podrían hacerlo muy útil para dispositivos electrónicos. Estos incluyen una alta movilidad de electrones; una estructura fuerte, ligera y muy compacta; y excelente disipación del calor.
Un gran inconveniente
Sin embargo, el grafeno tiene un gran inconveniente. A diferencia de los semiconductores convencionales, el grafeno carece de una banda prohibida de electrones intrínseca. Esta es una barrera energética que los electrones deben superar para conducir la electricidad. Es la banda prohibida la que permite fabricar interruptores electrónicos (transistores) a partir de semiconductores.
"Un problema de larga data en la electrónica del grafeno es que el grafeno no tenía la banda prohibida adecuada y no podía encenderse y apagarse en la proporción correcta", explica el coautor Lei Ma, cofundador del Centro Internacional de Nanopartículas y Nanosistemas de Tianjin con de Heer. "A lo largo de los años, muchos han intentado abordar esto con una variedad de métodos".
Estudios anteriores han intentado diseñar bandas prohibidas apropiadas utilizando técnicas como el confinamiento cuántico y la modificación química del grafeno puro. Sin embargo, hasta ahora estos enfoques han tenido muy poco éxito.
"Tuvimos que aprender cómo tratar [el grafeno], cómo hacerlo cada vez mejor y, finalmente, cómo medir sus propiedades", explica de Heer. "Eso tomó mucho, mucho tiempo".
Crecimiento espontáneo
En su última investigación, los investigadores han demostrado por primera vez cómo el semiconductor de banda prohibida "epigrafeno" puede crecer espontáneamente en las superficies de cristales de carburo de silicio.
Investigaciones anteriores habían revelado que a altas temperaturas, el silicio se sublima de las superficies de estos cristales, dejando capas ricas en carbono. Estas capas recristalizan en epigrafeno multicapa, que tiene propiedades semiconductoras limitadas.
Ampliando esta técnica, el equipo de De Heer y Ma ha desarrollado un nuevo método de recocido, en el que controlaron cuidadosamente la temperatura de la muestra y la tasa de formación de epigrafeno. Crearon una capa robusta de grafeno que crece en terrazas macroscópicas y atómicamente planas. Además, los átomos de grafeno están alineados con la red del sustrato de carburo de silicio.
Banda prohibida útil
Al realizar mediciones cuidadosas, el equipo demostró que esta capa es un excelente semiconductor 2D. Tiene la útil banda prohibida que ha eludido a los investigadores durante décadas, junto con una alta movilidad de electrones.
Las cintas de grafeno avanzan en la twistrónica
"Ahora tenemos un semiconductor de grafeno extremadamente robusto con 10 veces la movilidad del silicio y que además tiene propiedades únicas que no están disponibles en el silicio", afirma entusiasmado De Heer. Compara la movilidad de los electrones en el silicio con la conducción por un camino de grava, mientras que el epigrafeno es como una autopista de electrones. "Es más eficiente, no se calienta tanto y permite velocidades más altas para que los electrones puedan moverse más rápido", explica de Heer.
Además de este desempeño, el equipo también demostró que su epigrafeno se puede dopar con una amplia gama de átomos y moléculas para ajustar sus propiedades electrónicas y magnéticas. El material también se puede nanopatear para mejorar aún más su rendimiento; el nanopatrón es muy difícil de hacer con grafeno cultivado en otros sustratos.
De Heer, Ma y sus colegas esperan que su técnica pueda allanar el camino hacia un enfoque completamente nuevo para la fabricación de semiconductores y, en última instancia, pueda ser un primer paso crucial hacia una nueva generación de electrónica basada en grafeno.
La investigación se describe en Naturaleza.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/graphene-based-semiconductor-has-a-useful-bandgap-and-high-electron-mobility/
