27.05.2021 - Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

Defectos de "mordedura" en nanoribbones de grafeno ascendentes

Importantes hallazgos en el contexto de las posibles aplicaciones de los nanoribones de grafeno en la nanoelectrónica y la tecnología cuántica

Científicos del Empa y la EPFL han identificado un nuevo tipo de defecto como la fuente más común de desorden en los nanoribones de grafeno sintetizados en la superficie, una nueva clase de materiales basados en el carbono que pueden resultar muy útiles en los dispositivos electrónicos de próxima generación. Los investigadores identificaron la estructura atómica de estos defectos llamados "de mordida" e investigaron su efecto en el transporte electrónico cuántico. Este tipo de nanoribones defectuosos con bordes en zigzag pueden constituir plataformas adecuadas para determinadas aplicaciones en espintrónica.

Los nanoribones de grafeno (GNR), tiras estrechas de grafeno de una sola capa, tienen interesantes propiedades físicas, eléctricas, térmicas y ópticas debido a la interacción entre sus estructuras cristalinas y electrónicas. Estas novedosas características los han colocado en primera línea en la búsqueda de formas de avanzar en las nanotecnologías de nueva generación.

Mientras que las técnicas de fabricación ascendente permiten ahora la síntesis de una amplia gama de nanorribones de grafeno que presentan geometrías de bordes, anchos e incorporaciones de heteroátomos bien definidos, la cuestión de si hay o no desorden estructural en estos GNR atómicamente precisos, y en qué medida, sigue siendo objeto de debate. La respuesta a este enigma es de vital importancia para cualquier aplicación potencial o dispositivo resultante.
La colaboración entre el grupo teórico de la Cátedra de Física Computacional de la Materia Condensada de Oleg Yazyev en la EPFL y el laboratorio experimental nanotech@surfaces de Roman Fasel en la Empa ha dado lugar a dos trabajos que analizan esta cuestión en los nanoribbones de grafeno con borde de silla de brazos y con borde de zigzag.

"En estos dos trabajos, nos centramos en la caracterización de los "defectos de mordida" en los nanoribones de grafeno y sus implicaciones en las propiedades de los GNR", explica Gabriela Borin Barin, del laboratorio de nanotecnología de superficies de Empa. "Hemos observado que, aunque la presencia de estos defectos puede interrumpir el transporte electrónico de los GNR, también pueden producir corrientes polarizadas por el espín. Se trata de hallazgos importantes en el contexto de las posibles aplicaciones de los GNR en nanoelectrónica y tecnología cuántica".

Nanoribones de grafeno en silla de brazos

El artículo "Quantum electronic transport across "bite" defects in graphene nanoribbons", publicado recientemente en 2D Materials, analiza específicamente los nanoribones de grafeno en silla de brazos de 9 átomos de ancho (9-AGNR). La robustez mecánica, la estabilidad a largo plazo en condiciones ambientales, la facilidad de transferencia a los sustratos de destino, la escalabilidad de la fabricación y la anchura adecuada de la brecha de banda de estos GNR los han convertido en uno de los candidatos más prometedores para su integración como canales activos en los transistores de efecto de campo (FET). De hecho, entre los dispositivos electrónicos basados en el grafeno que se han realizado hasta ahora, los FETs de 9-AGNR presentan el mayor rendimiento.

Aunque el papel perjudicial de los defectos en los dispositivos electrónicos es bien conocido, las barreras Schottky, barreras de energía potencial para los electrones que se forman en las uniones metal-semiconductor, limitan el rendimiento de los actuales GNR-FET e impiden la caracterización experimental del impacto de los defectos en el rendimiento del dispositivo. En el artículo sobre materiales 2D, los investigadores combinan enfoques experimentales y teóricos para investigar los defectos en los AGNRs ascendentes.

Los microscopios de barrido y de fuerza atómica permitieron primero a los investigadores identificar los anillos de benceno que faltan en los bordes como un defecto muy común en los 9-AGNR y estimar tanto la densidad como la distribución espacial de estas imperfecciones, que han denominado defectos de "mordida". Cuantificaron la densidad y descubrieron que tienen una fuerte tendencia a agregarse. A continuación, los investigadores utilizaron cálculos de primeros principios para explorar el efecto de estos defectos en el transporte de carga cuántica, descubriendo que estas imperfecciones lo interrumpen significativamente en los bordes de banda reduciendo la conductancia.

Estas conclusiones teóricas se generalizan después a nanorribones más amplios de forma sistemática, lo que permite a los investigadores establecer directrices prácticas para minimizar el papel perjudicial de estos defectos en el transporte de cargas, un paso decisivo hacia la realización de novedosos dispositivos electrónicos basados en el carbono.

Nanoribones de grafeno en zigzag

En el artículo "Edge disorder in bottom-up zigzag graphene nanoribbons: implications for magnetism and quantum electronic transport", publicado recientemente en The Journal of Physical Chemistry Letters, el mismo equipo de investigadores combina experimentos de microscopía de sonda de barrido y cálculos de primeros principios para examinar el desorden estructural y su efecto en el magnetismo y el transporte electrónico en los llamados GNR en zigzag (ZGNR).

Los ZGNR son únicos por su orden magnético no convencional sin metales que, según las predicciones, se conserva hasta la temperatura ambiente. Poseen momentos magnéticos que se acoplan ferromagnéticamente a lo largo del borde y antiferromagnéticamente a través de él, y se ha demostrado que las estructuras electrónicas y magnéticas pueden modularse en gran medida mediante, por ejemplo, el dopaje de carga, los campos eléctricos, las deformaciones de la red o la ingeniería de defectos. La combinación de correlaciones magnéticas sintonizables, la considerable anchura de la banda y las débiles interacciones espín-órbita han convertido a estos ZGNR en candidatos prometedores para las operaciones lógicas de espín. El estudio se centra específicamente en los nanoribbones de grafeno de seis líneas en zigzag (6-ZGNR), la única anchura de ZGNR que se ha conseguido hasta ahora con un enfoque ascendente.

Utilizando de nuevo microscopios de barrido y de fuerza atómica, los investigadores identifican primero la presencia de los omnipresentes defectos de vacantes de carbono situados en los bordes de los nanoribbones y luego resuelven su estructura atómica. Sus resultados indican que cada vacante comprende una unidad de m-xileno ausente, es decir, otro defecto de "mordida", que, al igual que los observados en los AGNR, procede de la escisión del enlace C-C que se produce durante el proceso de ciclodeshidrogenación de la reacción. Los investigadores estiman que la densidad de los defectos de "mordida" en los 6-ZGNR es mayor que la de los defectos equivalentes en los AGNR ascendentes.

El efecto de estos defectos de mordida sobre la estructura electrónica y las propiedades de transporte cuántico de los 6-ZGNR se examina de nuevo teóricamente. Encuentran que la introducción del defecto, de forma similar a los AGNRs, provoca una alteración significativa de la conductancia. Además, en esta nanoestructura, estos defectos involuntarios inducen un desequilibrio de la subred y del espín, provocando un momento magnético local. Esto, a su vez, da lugar a un transporte de carga con polarización de espín que hace que los nanoribbones defectuosos en zigzag sean óptimamente adecuados para aplicaciones en espintrónica lógica de todo el carbono en el límite último de la escalabilidad.

Una comparación entre los ZGNR y los AGNR de igual anchura muestra que el transporte a través de los primeros es menos sensible a la introducción de defectos simples y múltiples que en los segundos. En general, la investigación proporciona una imagen global del impacto de estos defectos omnipresentes en la estructura electrónica de baja energía de los nanoribones de grafeno ascendentes. Según los investigadores, las investigaciones futuras podrían centrarse en el estudio de otros tipos de defectos puntuales observados experimentalmente en los bordes de estos nanoribones.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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