Los investigadores se acercan al control del grafeno bidimensional

El dispositivo en el que está leyendo este artículo nació de la revolución del silicio. Para construir circuitos eléctricos modernos, los investigadores controlan las capacidades de conducción de corriente del silicio a través del dopaje, que es un proceso que introduce electrones cargados negativamente o “huecos” cargados positivamente donde solían estar los electrones. Esto permite controlar el flujo de electricidad y el silicio implica inyectar otros elementos atómicos que pueden ajustar los electrones, conocidos como dopantes, en su red atómica tridimensional (3D).

La celosía 3D de Silicon, sin embargo, es demasiado grande para la electrónica de próxima generación, que incluye transistores ultradelgados, nuevos dispositivos de comunicación óptica y biosensores flexibles que se pueden usar o implantar en el cuerpo humano. Para adelgazar, los investigadores están experimentando con materiales no más gruesos que una sola hoja de átomos, como el grafeno. Pero el método probado y verdadero para dopar el silicio 3D no funciona con el grafeno 2D, que consiste en una sola capa de átomos de carbono que normalmente no conduce una corriente.

En lugar de inyectar dopantes, los investigadores han intentado colocar una “capa de transferencia de carga” destinada a agregar o alejar electrones del grafeno. Sin embargo, los métodos anteriores utilizaban materiales “sucios” en sus capas de transferencia de carga; las impurezas en estos dejarían al grafeno dopado de manera desigual e impedirían su capacidad para conducir la electricidad.

Ahora, un nuevo estudio en Electrónica de la naturaleza propone una mejor manera. Un equipo interdisciplinario de investigadores, dirigido por James Hone y James Teherani en la Universidad de Columbia, y Won Jong Yoo en la Universidad Sungkyungkwan en Corea, describen una técnica limpia para dopar grafeno a través de una capa de transferencia de carga hecha de oxiselenuro de tungsteno (TOS) de baja impureza. .

El equipo generó la nueva capa “limpia” oxidando una sola capa atómica de otro material 2D, el seleniuro de tungsteno. Cuando se colocó TOS sobre grafeno, descubrieron que dejaba el grafeno plagado de agujeros conductores de electricidad. Esos agujeros podrían ajustarse para controlar mejor las propiedades conductoras de electricidad de los materiales agregando algunas capas atómicas de seleniuro de tungsteno entre el TOS y el grafeno.

Los investigadores encontraron que la movilidad eléctrica del grafeno, o la facilidad con que las cargas se mueven a través de él, era mayor con su nuevo método de dopaje que con los intentos anteriores. La adición de espaciadores de seleniuro de tungsteno aumentó aún más la movilidad hasta el punto en que el efecto del TOS se vuelve insignificante, dejando que la movilidad sea determinada por las propiedades intrínsecas del propio grafeno. Esta combinación de alto dopaje y alta movilidad le da al grafeno una mayor conductividad eléctrica que la de metales altamente conductores como el cobre y el oro.

A medida que el grafeno dopado mejoró en la conducción de electricidad, también se volvió más transparente, dijeron los investigadores. Esto se debe al bloqueo de Pauli, un fenómeno en el que las cargas manipuladas por dopaje impiden que el material absorba la luz. En las longitudes de onda infrarrojas utilizadas en las telecomunicaciones, el grafeno se volvió transparente en más del 99 por ciento. Lograr una alta tasa de transparencia y conductividad es crucial para mover información a través de dispositivos fotónicos basados ​​en luz. Si se absorbe demasiada luz, la información se pierde. El equipo encontró una pérdida mucho menor para el grafeno dopado con TOS que para otros conductores, lo que sugiere que este método podría tener potencial para dispositivos fotónicos ultraeficientes de próxima generación.

“Esta es una nueva forma de adaptar las propiedades del grafeno a pedido”, dijo Hone. “Acabamos de comenzar a explorar las posibilidades de esta nueva técnica”.

Una dirección prometedora es alterar las propiedades ópticas y electrónicas del grafeno cambiando el patrón del TOS e imprimir circuitos eléctricos directamente en el grafeno. El equipo también está trabajando para integrar el material dopado en nuevos dispositivos fotónicos, con aplicaciones potenciales en electrónica transparente, sistemas de telecomunicaciones y computadoras cuánticas.