Wang, el postdoctorado compañero de Yuanbo Zhang, el estudiante graduado Tsung-Ta Tang y su UC Berkeley y Lawrence Berkeley National Laboratory(LBNL) colega informaron de su éxito el 11 de Junio en Nature."La diferencia fundamental entre un metal y un semiconductor es esta banda prohibida, la cual nos permite crear mecanismos semiconductores," dijo coautor Michael Crommie, UC Berkeley profesor de física. "La habilidad para simplemente poner un material entre dos electrodos, aplicando un campo eléctrico y cambiar la banda prohibida tiene relaciones increíble y un avance importante en la física de la materia condensada, porque significa que podemos cambiar en la configuración de un dispositivo la banda prohibida a voluntad enviando una señal eléctrica a los materiales."
Grafeno es una capa de átomos de carbono, cada átomo químicamente atado a sus tres vecinos produce una distribución hexagonal. Desde que fue aislado del grafito, el material en la punta de un lápiz, en 2004, ha sido un tema candente en la investigación, en parte porque la teoría del estado sólido predice propiedades electrónicas inusuales, incluyendo una alta mobilidad electrónica más de diez veces la del silicio.
Sin embargo, la propiedad que lo hace un buen conductor - su banda prohibida cero - también significa que está siempre encendido. "Para crear un aparato electrónico, como un transistor, necesitas ser capaz de encender y apagar esta propiedad," dijo Zhang. "Pero en el grafeno, aunque tienes alta movilidad de los electrones y puedes modular la conductividad, no puedes crear un transistor efectivo."Los semiconductores, por ejemplo, pueden ser apagados porque tienen una banda prohibida finita entre las bandas de valencia y conducción.
Mientras una simple capa de grafeno tiene una banda prohibida cero, dos capas de grafeno juntas teóricamente deberían tener una banda prohibida variable controlada por un campo eléctrico, dijo Wang. Anteriores experimentos sobre bicapas de grafeno, sin embargo, han fallado al demostrar la banda prohibida predicha, posiblemente debido a impurezas. Investigadores obtenieron grafeno con un método tecnológicamente bajo: tomaron grafito, como el que hay en la cabeza de un lapiz, lo extendieron sobre una superficie, la cubrieron con cinta adhesiva y la despegaron. La cinta separó el grafito, que son solo millones de capas de grafito, para producir tanto simples como multi capas de grafeno.
Wang, Zhang, Tang y otros colegas decidieron construir bicapas de grafeno con dos interruptores en vez de uno. Cuando los electrodos fueron unidos a la zona superior e inferior de la bicapa y conexiones eléctricas hechas a los bordes de las bicapas, los investigadores fueron capaces de abrir y cerrar la banda prohibida sencillamente variando los voltajes.El equipo también mostró que podía cambiar otra propiedad crítica del grafeno, su energía Fermi. "Con nuestro sistema, puedes independientemente controlar los dos más importantes parámetros en un semiconductor: puedes cambiar la estructura electrónica para variar la banda prohibida continuamente, e independientemente controlar los electrones variando el nivel de Fermi," dijo Wang.
Debido a las impurezas y defectos en los actuales recursos, las propiedades electrónicas en el grafeno no reflejan las propiedades intrínsecas del material. En lugar de eso, los investigadores se aprovecharon de las propiedades ópticas de los materiales de banda prohibida: Si iluminas el material con el color correcto, los electrones en la banda de valencia absorverán la luz y pasarán la banda prohibida.
En el caso del grafeno, la máxima banda prohibida que los investigadores pudieron producir era 250 mili-electrones voltio (meV). (En comparación, los semiconductores germanio y silicio tienen aproximadamente 740 y 1.200 meV bandas prohibidas, respectivamente.) Poniendo el grafeno bicapa en un rayo infrarrojo de alta densidad producido por LBNL Advanced Light Source (ALS), los investigadores vieron absorción a las predecidas bandas prohibidas, confirmando su ajustabilidad.
Por el rango de cero a 250 meV permite que el grafeno sea pasado continuamente de metal a semiconductor, los investigadores buscan convertir una única hoja de grafeno bicapa en un dispositivo electrónico integrado dinamico con millones de interruptores depositados encima y debajo.
"Todo lo que necesitas es un montón de interruptores en todas las posiciones, y puedes cambiar cualquier lugar de metal a semiconductor, que es, ambos una manera a conducir electrones o un transistor," dijo Zhang. "Así que básicamente, no tienes que fabricar circuitos con los que empezar, y luego aplicar voltajes, puedes obtener cualquier circuito que quieras. Esto te da extrema flexibilidad.""Ese sería el sueño del futuro," dijo Wang.
Dependiendo sobre la técnica litográfica usada, el tamaño de cada interruptor podría ser mucho menor que un micron - una millonésima de metro - permitiendo millones de dispositivos electrónicos separados en un milímetro cuadrado de bicapa de grafeno. Wang y Zhang también preveen aplicaciones ópticas, ya que los LEDs de grafeno emitirían frecuencias en el rango infrarrojo lejano a medio. "Es difícil encontrar materiales que generen luz en el infrarrojo, sin mencionar una fuente de luz ajustable," dijo Wang.
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