Construcción de heteroestructuras de grafeno con precisión atómica

Investigación UPV/EHU

(A) Esquema de los precursores moleculares y las nanotiras de grafeno resultantes, así como de las heteroestructuras. (B) Imágenes de microscopia de efecto túnel de las heteroestructuras sintetizadas sobre superficies de oro.
(A) Esquema de los precursores moleculares y las nanotiras de grafeno resultantes, así como de las heteroestructuras. (B) Imágenes de microscopia de efecto túnel de las heteroestructuras sintetizadas sobre superficies de oro.

Pocos materiales han recibido tanta atención del mundo científico ni han copado tantas esperanzas de cara a su potencial implementación en nuevas aplicaciones como el grafeno. Eso se debe en gran medida a sus propiedades superlativas, siendo el material existente más delgado, casi transparente, el más resistente, el más rígido y a su vez más elástico, el mejor conductor térmico, el de mayor movilidad de los portadores de carga, además de otras muchas características fascinantes más.

Las propiedades electrónicas del grafeno se pueden variar significativamente mediante, por ejemplo, su confinamiento en sistemas nanoestructurados. Es por ello que las tiras o filas de grafeno con anchuras nanométricas se postulan como elementos electrónicos inmensamente interesantes. Pero por otro lado, debido a la gran variabilidad de las propiedades electrónicas ante cambios mínimos en la estructura de estas nanotiras, un control preciso a nivel atómico es requisito indispensable para aprovechar todo su potencial.

Las técnicas litográficas utilizadas en nanotecnología convencional no disponen aún de la resolución y precisión necesarias. En el año 2010, sin embargo, se encontró la manera de sintetizar nanotiras con precisión atómica mediante el llamado auto-ensamblaje molecular. Moléculas diseñadas con ese fin se depositaban sobre una superficie de manera que reaccionasen entre ellas y diesen lugar a nanotiras de grafeno perfectamente definidas, mediante un proceso altamente reproducible y sin más mediación externa que el calentamiento a temperaturas adecuadas.

En el año 2013, un equipo de científicos de la Universidad de Berkeley y del Centro de Física de Materiales (CFM), centro mixto CSIC-UPV/EHU, extendió ese mismo concepto de auto-ensamblaje molecular a nuevas moléculas que formaban nanotiras de grafeno más anchas y, por tanto, con nuevas propiedades electrónicas. El mismo grupo ha conseguido ahora dar un paso más allá, creando mediante este auto-ensamblaje, heteroestructuras que mezclan segmentos de nanotiras de grafeno de dos anchuras distintas.

La formación de heteroestructuras con distintos materiales ha sido un concepto utilizado extensamente en ingeniería electrónica y ha permitido grandes avances en la electrónica convencional. «Ahora hemos logrado formar por primera vez heteroestructuras a nivel molecular y con precisión atómica de nanotiras de grafeno modulando su anchura. Además, su posterior caracterización mediante microscopia y espectroscopia de efecto túnel, complementada con cálculos teóricos de primeros principios, ha demostrado que da lugar a un sistema con propiedades electrónicas muy interesantes, que incluyen, por ejemplo, la creación de lo que se conoce como pozos cuánticos», destaca el científico Dimas de Oteyza que ha participado en este proyecto. Este trabajo, cuyos resultados se publican en Nature Nanotechnology, es, por tanto, un importante éxito hacia la esperada implementación del grafeno en aplicaciones electrónicas comerciales.

Referencia:

Bandgap Engineering of Bottom-Up Synthesized Graphene Nanoribbons by Controlled Heterojunctions. Y.-C. Chen, T. Cao, C. Chen, Z. Pedramrazi, D. Haberer, D. G. de Oteyza, F. Fischer, S. Loiue, M. F. Crommie, Nature Nanotechnology (2015) DOI: 10.1038/nnano.2014.307.

Edición realizada por César Tomé López a partir de materiales suministrados por UPV/EHU Komunikazioa

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