El grafeno artificial redefinirá el nivel más alto de nanofabricación

A principios de este siglo, el descubrimiento del grafeno provocó una gran repercusión en la comunidad física. Como el primer material bidimensional que apareció en el mundo real, rápidamente se convirtió en el favorito de los científicos. Pero como sustancia natural, el grafeno tiene solo una disposición atómica fija, por lo que todos los experimentos con grafeno deben adaptarse a estas limitaciones. Sin embargo, recientemente los expertos de la Universidad de Columbia han fabricado un dispositivo semiconductor de "grafeno artificial" de mejor rendimiento, que resuelve perfectamente este problema.

La disposición única de los átomos de carbono en el grafeno proporciona una plataforma para probar nuevos fenómenos cuánticos que son difíciles de observar en materiales tradicionales. Con sus propiedades electrónicas inusuales: sus electrones pueden viajar una gran distancia antes de dispersarse, y el grafeno es un conductor superior. Estas propiedades también muestran otras propiedades únicas que hacen que los electrones parezcan estar cerca de la velocidad de la luz. Como las partículas, tiene las propiedades singulares que no tienen los electrones no relativistas. Sin embargo, la posición de los átomos en la red de grafeno es fija. Por el contrario, el espaciado y la configuración de la red en el grafeno artificial se pueden establecer libremente en un intervalo grande. Esta poderosa versatilidad hace del grafeno artificial un tesoro a los ojos de los investigadores en el campo de la materia condensada.

El estudio fue dirigido por expertos del Departamento de Ingeniería de la Universidad de Columbia que se especializan en el manejo de materiales a nanoescala. A través de la colaboración con colegas de la Universidad de Princeton, la Universidad de Purdue y la Universidad Italiana de Ciencia y Tecnología, el equipo rediseñó la estructura electrónica del grafeno en los dispositivos semiconductores por primera vez. Así, se produjo un nuevo tipo de "grafeno artificial".

Figura | Los pilares de grabado se refieren a la posición de los puntos cuánticos (pozos rojos) en una disposición de celosía hexagonal. Cuando el espacio entre los puntos cuánticos es lo suficientemente pequeño, los electrones pueden moverse entre ellos. (Fuente: Diego Scarabelli / Departamento de Ingeniería, Universidad de Columbia)

Aron Pinczuk, profesor de física aplicada y física en el Departamento de Ingeniería de la Universidad de Columbia, dijo: "Este hito ha redefinido el nivel más alto de ciencia de materia condensada y nanofabricación. Aunque el grafeno artificial se ha aplicado a la óptica de otros sistemas, como las moléculas y fotones, pero estas plataformas carecen de la versatilidad que la tecnología de procesamiento de semiconductores puede proporcionar.Los dispositivos de grafeno artificial semiconductores pueden convertirse en una plataforma para explorar nuevos interruptores electrónicos, transistores de alto rendimiento e incluso nuevos métodos de almacenamiento de información de estado cuántico.

Shalom Wind, coautor del departamento de Física Aplicada y Matemáticas Aplicadas, dijo: "Este es un campo de investigación en rápido crecimiento. Ahora se han descubierto muchos fenómenos nuevos que antes eran inalcanzables. A medida que continuamos explorando el uso de sistemas controlados eléctricamente grafeno artificial con los nuevos dispositivos, podemos descubrir más potencial para el grafeno en el campo de la optoelectrónica y el procesamiento de datos ".

"Este trabajo es en realidad un avance importante en la tecnología del grafeno artificial. Las teorías anteriores han predicho que los sistemas electrónicos basados en grafeno se crearon manualmente y se sintonizaron con gas electrónico gráfico 2D. Pero hasta este momento en la investigación de la Universidad de Columbia. Nadie ha observado con éxito estas características. en nanoestructuras de semiconductores diseñados ", dijo Steven G. Louie, profesor de física en la Universidad de California, Berkeley. “Los experimentos previos de estructuras moleculares, atómicas y fotónicas solo pueden representar sistemas con poca versatilidad y estabilidad. Esta estructura de nano-semiconductores ofrece nuevas oportunidades para explorar nuevas ciencias y sus aplicaciones prácticas.

Los investigadores utilizan herramientas en la tecnología de chips tradicional para desarrollar grafeno artificial en semiconductores estándar de arseniuro de galio. Diseñaron una estructura en capas para que los electrones solo puedan moverse dentro de una capa muy estrecha, creando efectivamente un plano 2D. Utilizaron nanolitografía y grabado para caracterizar el arseniuro de galio: después de la caracterización, el arseniuro de galio produjo una red hexagonal que confina los electrones en la dirección lateral. Al colocar estos llamados "átomos artificiales" lo suficientemente cerca entre sí (unos 50 nanómetros de distancia), estos átomos artificiales pueden interactuar de una manera mecánica cuántica, similar a la forma en que los átomos comparten sus electrones en los sólidos.

La nanolitografía y el grabado forman pequeños pilares, y los puntos cuánticos debajo están dispuestos en una celosía hexagonal. El escaneo de la micrografía electrónica en la parte inferior muestra una matriz hexagonal con un perímetro de solo 50 nanómetros desde la parte superior. (Fuente: Diego Scarabelli / Columbia Engineering)

El grupo detecta el estado electrónico de la red artificial irradiando el láser y mide la luz dispersa. La luz dispersa puede mostrar la energía perdida cuando un electrón pasa de un estado a otro. Cuando mapearon estas transiciones de estado, el equipo descubrió que se estaban acercando a cero de manera lineal cerca del "punto de Dirac", una característica del grafeno en la que la densidad de electrones desaparecería.

Este grafeno artificial tiene muchas ventajas sobre el grafeno natural: por ejemplo, los investigadores pueden ajustar el comportamiento electrónico ajustando la red celular. Y debido a que el espaciado entre puntos cuánticos es mucho mayor que el espaciado de los átomos en el grafeno natural, los investigadores pueden observar fenómenos cuánticos más exóticos bajo la acción de campos magnéticos.

El descubrimiento del grafeno y otros nuevos materiales de baja dimensión (como las películas de van der Waals en capas ultrafinas) sentó las bases de esta investigación. Pinczuk señaló: "Los avances previos en la tecnología de nanofabricación son fundamentales para esta investigación. Estos estudios previos nos han proporcionado una 'caja de herramientas' en constante expansión que podemos utilizar para representar patrones de alta calidad en innumerables escalas de nanoescala. No es exagerado dicen que este descubrimiento ha inspirado a nuestros físicos en este campo ".

El Premio Nobel de Física en 2010 atrajo la atención de la gente sobre el grafeno. Desde su descubrimiento, el grafeno ha recibido una gran atención y se ha desarrollado continuamente, pero se enfrenta a muchos desafíos en la investigación y el desarrollo actuales de tecnología, pero estos desafíos también son el terreno fértil para nuestra investigación futura. Si el siglo XX es el siglo del silicio, el grafeno creará una nueva era material en el siglo XXI, que traerá cambios sustanciales al mundo. Creemos que el futuro del grafeno y las tecnologías relacionadas es brillante.

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