18.02.2021 - Universität Basel

El grafeno de Kagome promete interesantes propiedades

Se comporta como un semiconductor y también puede tener propiedades eléctricas inusuales

Por primera vez, físicos de la Universidad de Basilea han producido un compuesto de grafeno formado por átomos de carbono y un pequeño número de átomos de nitrógeno en una red regular de hexágonos y triángulos. Este "entramado kagome" con estructura de panal se comporta como un semiconductor y puede tener también propiedades eléctricas inusuales. En el futuro, podría utilizarse en sensores electrónicos u ordenadores cuánticos.

Investigadores de todo el mundo buscan nuevos materiales sintéticos con propiedades especiales como la superconductividad, es decir, la conducción de la corriente eléctrica sin resistencia. Estas nuevas sustancias son un paso importante en el desarrollo de una electrónica de alta eficiencia energética. El material de partida suele ser una estructura de panal de una sola capa de átomos de carbono (grafeno).

Los cálculos teóricos predicen que el compuesto conocido como "grafeno kagome" debería tener unas propiedades completamente diferentes a las del grafeno. El grafeno kagome consiste en un patrón regular de hexágonos y triángulos equiláteros que se rodean entre sí. El nombre "kagome" procede del japonés y hace referencia al antiguo arte japonés del tejido kagome, en el que se tejían cestas con el mencionado patrón.

Celosía Kagome con nuevas propiedades

Investigadores del Departamento de Física y del Instituto Suizo de Nanociencia de la Universidad de Basilea, en colaboración con la Universidad de Berna, han producido y estudiado por primera vez el grafeno kagome, según informan en la revista Angewandte Chemie. Las mediciones de los investigadores han arrojado resultados prometedores que apuntan a propiedades eléctricas o magnéticas inusuales.

Para producir el grafeno kagome, el equipo aplicó un precursor a un sustrato de plata por deposición de vapor y luego lo calentó para formar un intermedio organometálico en la superficie del metal. El calentamiento posterior produjo el grafeno kagome, que está compuesto exclusivamente por átomos de carbono y nitrógeno y presenta el mismo patrón regular de hexágonos y triángulos.

Fuertes interacciones entre electrones

"Utilizamos microscopios de barrido de túnel y de fuerza atómica para estudiar las propiedades estructurales y electrónicas del grafeno kagome", informa el Dr. Rémy Pawlak, primer autor del estudio. Con este tipo de microscopios, los investigadores pueden sondear las propiedades estructurales y eléctricas de los materiales utilizando una punta diminuta; en este caso, la punta se terminó con moléculas individuales de monóxido de carbono.

Al hacerlo, los investigadores observaron que los electrones de una energía definida, que se selecciona aplicando una tensión eléctrica, quedan "atrapados" entre los triángulos que aparecen en la red cristalina del grafeno kagome. Este comportamiento distingue claramente el material del grafeno convencional, en el que los electrones se distribuyen por varios estados de energía en la red, es decir, están deslocalizados.

"La localización observada en el grafeno kagome es deseable y precisamente lo que buscábamos", explica el profesor Ernst Meyer, que dirige el grupo en el que se llevaron a cabo los proyectos. "Provoca fuertes interacciones entre los electrones y, a su vez, estas interacciones son la base de fenómenos inusuales, como la conducción sin resistencia".

Se planean más investigaciones

Los análisis también revelaron que el grafeno kagome presenta propiedades semiconductoras, es decir, que sus propiedades conductoras pueden activarse o desactivarse, como en un transistor. De este modo, el grafeno kagome difiere significativamente del grafeno, cuya conductividad no puede activarse y desactivarse tan fácilmente.

En posteriores investigaciones, el equipo separará la red de kagome de su sustrato metálico y estudiará más a fondo sus propiedades electrónicas. "La estructura de banda plana identificada en los experimentos respalda los cálculos teóricos, que predicen que en las retículas de kagome podrían producirse emocionantes fenómenos electrónicos y magnéticos. En el futuro, el grafeno kagome podría actuar como un bloque de construcción clave en componentes electrónicos sostenibles y eficientes", afirma Ernst Meyer.

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