18.05.2021 - Universität zu Köln

Desarrollan un nuevo sensor de heterounión de nanoribones de grafeno de precisión atómica

Un nuevo sensor muy sensible a los átomos y las moléculas

Un equipo internacional de investigación dirigido por la Universidad de Colonia ha conseguido por primera vez conectar con precisión atómica varios nanoribbones de grafeno, una modificación del carbono, para formar estructuras complejas. Los científicos han sintetizado y caracterizado espectroscópicamente las heterouniones de nanorribones. A continuación, han podido integrar las heterouniones en un componente electrónico. De este modo, han creado un novedoso sensor altamente sensible a los átomos y las moléculas. Los resultados de su investigación se han publicado bajo el título "Tunneling current modulation in atomically precise graphene nanoribbon heterojunctions" en "Nature Communications". El trabajo se llevó a cabo en estrecha colaboración entre el Instituto de Física Experimental y el Departamento de Química de la Universidad de Colonia, así como con grupos de investigación de Montreal, Novosibirsk, Hiroshima y Berkeley. Fue financiado por la Fundación Alemana de Investigación (DFG) y el Consejo Europeo de Investigación (ERC).

Las heterouniones de los nanorribones de grafeno tienen apenas un nanómetro de ancho. El grafeno está formado por una sola capa de átomos de carbono y se considera el material más fino del mundo. En 2010, los investigadores de Manchester consiguieron fabricar por primera vez capas de grafeno de un solo átomo, por lo que obtuvieron el Premio Nobel. Las heterouniones de nanoribones de grafeno utilizadas para fabricar el sensor tienen cada una siete y catorce átomos de carbono de ancho y unos 50 nanómetros de largo. Lo que las hace especiales es que sus bordes no tienen defectos. Por eso se les llama nanoribones "atómicamente precisos", explicó el Dr. Boris Senkovskiy, del Instituto de Física Experimental. Los investigadores conectaron varias de estas heterouniones de nanorribones en sus extremos cortos, creando así heteroestructuras más complejas que actúan como barreras de tunelización.

Las heteroestructuras se investigaron mediante fotoemisión resuelta en ángulo, espectroscopia óptica y microscopía de túnel de barrido. En el siguiente paso, las heteroestructuras generadas se integraron en un dispositivo electrónico. La corriente eléctrica que fluye a través de la heteroestructura de nanorbono se rige por el efecto mecánico cuántico de tunelización. Esto significa que, en determinadas condiciones, los electrones pueden superar las barreras energéticas existentes en los átomos mediante un "túnel", de modo que entonces fluye una corriente aunque la barrera sea mayor que la energía disponible del electrón.

Los investigadores construyeron un novedoso sensor de adsorción de átomos y moléculas a partir de la heteroestructura de nanorribones. La corriente de túnel que atraviesa la heteroestructura es especialmente sensible a los adsorbidos que se acumulan en las superficies. Es decir, la intensidad de la corriente cambia cuando los átomos o moléculas, como los de los gases, se acumulan en la superficie del sensor. El prototipo de sensor que hemos construido tiene unas propiedades excelentes. Entre otras cosas, es especialmente sensible y puede utilizarse para medir incluso las cantidades más pequeñas de adsorbatos", afirma el profesor Dr. Alexander Grüneis, jefe de un grupo de investigación del Instituto de Física Experimental.

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