13.07.2020 - Universität Basel

Cintas porosas de grafeno dopado con nitrógeno para la electrónica del futuro

Atractivo para aplicaciones en electrónica y computación cuántica

Un equipo de físicos y químicos ha producido las primeras cintas porosas de grafeno en las que átomos específicos de carbono en la red cristalina son reemplazados por átomos de nitrógeno. Estas cintas tienen propiedades semiconductoras que las hacen atractivas para aplicaciones en electrónica y computación cuántica, como informaron los investigadores de las Universidades de Basilea, Berna, Lancaster y Warwick en el Journal of the American Chemical Society.

El grafeno consiste en una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una estructura de panal. El material es de interés no sólo para la investigación básica sino también para diversas aplicaciones dadas sus propiedades únicas, que incluyen una excelente conductividad eléctrica así como una asombrosa resistencia y rigidez. Los equipos de investigación de todo el mundo están trabajando para ampliar aún más estas características mediante la sustitución de los átomos de carbono en la red cristalina por átomos de diferentes elementos. Además, las propiedades eléctricas y magnéticas también pueden ser modificadas por la formación de poros en la red.

La estructura en forma de escalera

Ahora, un equipo de investigadores dirigidos por el físico Profesor Ernst Meyer de la Universidad de Basilea y el químico Dr. Shi-Xia Liu de la Universidad de Berna han logrado producir las primeras cintas de grafeno cuya red cristalina contiene tanto poros periódicos como un patrón regular de átomos de nitrógeno. La estructura de este nuevo material se asemeja a una escalera, con cada peldaño conteniendo dos átomos de nitrógeno.

Para sintetizar estas cintas de grafeno porosas y que contienen nitrógeno, los investigadores calentaron los bloques individuales de construcción paso a paso sobre una superficie plateada en el vacío. Las cintas se forman a temperaturas de hasta 220°C. La microscopía de fuerza atómica permitió a los investigadores no sólo controlar los pasos individuales de la síntesis, sino también confirmar la perfecta estructura escalonada -y la estabilidad- de la molécula.

Propiedades extraordinarias

Utilizando la microscopía de túnel de barrido, los científicos del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanociencia (SNI) de la Universidad de Basilea también demostraron que estas nuevas cintas de grafeno ya no eran conductores eléctricos, como el grafeno puro, sino que en realidad se comportaban como semiconductores. Colegas de las Universidades de Berna y Warwick confirmaron estos hallazgos realizando cálculos teóricos de las propiedades electrónicas. "Las propiedades semiconductoras son esenciales para las posibles aplicaciones en electrónica, ya que su conductividad puede ser ajustada específicamente", dice el Dr. Rémy Pawlak, primer autor del estudio.

En la literatura se sabe que una alta concentración de átomos de nitrógeno en la red cristalina hace que las cintas de grafeno se magneticen cuando se someten a un campo magnético. "Esperamos que estas cintas porosas de grafeno dopadas con nitrógeno muestren extraordinarias propiedades magnéticas", dice Ernst Meyer. "En el futuro, las cintas podrían ser de interés para aplicaciones en computación cuántica".

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