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La sal, un nuevo facilitador para los dispositivos electrónicos basados en grafeno

Una sustancia tan cotidiana como la sal se puede utilizar para proteger capas de grafeno y desacoplarlas de un sustrato metálico. Luego se pueder retirar la sal para recuperar el grafeno intacto, un material con aplicaciones en electrónica y otros campos. El experimento se ha realizado usando la luz del sincrotrón ALBA, cerca de Barcelona.

Los mapas de fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES) muestran la evolución de la estructura electrónica del grafeno cuando se irradia con luz de sincrotrón. / Sincrotrón ALBA

Desde la primera vez que se produjo, jugando con una cinta adhesiva en un laboratorio, el grafeno ha tenido un impacto revolucionario en la ciencia de materiales, así como en la física fundamental y aplicada. Este material bidimensional, un conductor de una capa atómica de carbono con una movilidad electrónica extremadamente alta y una gran resistencia mecánica, ha permitido estudiar efectos cuánticos macroscópicos y podría acelerar una nueva generación de dispositivos electrónicos pequeños y rápidos.

Una sustancia tan cotidiana la sal, cloruro de sodio, se puede utilizar para proteger capas de grafeno y desacoplarlas de un sustrato metálico

Los científicos tienen puesto su foco en las propiedades electrónicas de este material de carbono, que aunque son muy prometedoras, todavía deben ser controladas de manera más eficiente para que pueda ser considerado como nuevo material en la industria de los semiconductores.

Ahora, investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), en colaboración con el Sincrotrón ALBA, el Donostia International Physics Center (DIPC) y el Centro de Física de Materiales (CSIC / UPV-EHU) han demostrado que una sustancia habitual como la sal (NaCl, cloruro de sodio) se puede utilizar para proteger capas de grafeno y desacoplarlas de un sustrato metálico. Además, es posible eliminar la sal fácilmente después para recuperar la capa de grafeno intacta, convirtiendo este asequible ingrediente en facilitador de un material de alto rendimiento.

El estudio, publicado en la revista 2D Materials, demuestra una forma sencilla de intercalar sodio bajo el grafeno, que también es reversible y permite recuperar el grafeno, situándonos un paso más cerca de aquella capa atómica de carbono que podría sustituir al silicio en los futuros dispositivos electrónicos. Además, "este método podría extrapolarse a otros metales alcalinos y fomentar estudios muy interesantes en baterías avanzadas", indica Irene Palacio, investigadora del ICMM-CSIC.

De la cocina al laboratorio de ciencia de materiales

El trabajo experimental se ha llevado a cabo en el sincrotrón ALBA, usando el microscopio electrónico de fotoemisión (PEEM) de una de sus líneas de luz (CIRCE), utilizado tanto para el proceso de disociación como para caracterizar la muestra.

Los investigadores empezaron a partir de capas de grafeno preparadas sobre un sustrato de iridio metálico. Aunque la interacción inicial del grafeno con el iridio es más débil que con otros sustratos, ésta es suficiente para degradar sus propiedades electrónicas. Se depositó una fina capa de NaCl sobre el grafeno para probarla como potencial protección barata y fácil de quitar contra las condiciones ambientales.

Los experimentos también incluyeron un proceso de recocido que permite recuperar el grafeno inicial, sin daños y de nuevo acoplado al sustrato

Sin embargo, cuando el NaCl se expuso a la luz de sincrotrón, el cloro se desabsorbió mientras que el sodio se intercaló bajo el grafeno, desacoplándolo del sustrato de iridio y creando lo que los científicos llaman 'un dopaje n eficaz', es decir, transformándolo en un semiconductor.

El proceso de intercalación se monitorizó estructuralmente mediante la difracción de electrones de baja energía (LEED) y químicamente con la espectroscopia de fotoemisión. Con la primera, se vio cómo la superestructura moiré, creada por la interacción del grafeno con el iridio, desapareció. Con la segunda, se observó la transición del sodio desde un cristal de sal al sodio metálico, es decir, del NaCl al Na.

Finalmente, mediante fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES), se determinó la modificación de la estructura electrónica del grafeno debido al desacoplamiento del sustrato, es decir, su dopaje n. Los experimentos también incluyeron un proceso de recocido, a 823 K, que permite recuperar el grafeno inicial, sin daños y de nuevo acoplado al sustrato de iridio.

El microscopio PEEM "ofreció la combinación perfecta de las diferentes técnicas de caracterización de superficies necesarias para este estudio ", explica Michael Foerster, científico de línea de luz de CIRCE, quien concluye: "Este es un ejemplo interesante donde la luz de sincrotrón es más que una simple herramienta pasiva sinó que también es el detonante de la fotodisociación de la sal".

Referencia bibliográfica:

I Palacio, L Aballe, M Foerster, D G de Oteyza, M García-Hernández y J A Martín-Gago. "Reversible Graphene decoupling by NaCl photo dissociation". 2D Materials, Volume 6, Number 2 (2019)

Fuente: Sincrotrón ALBA
Derechos: Creative Commons
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