Sotto il microscopio a effetto tunnel, il grafene rivela la sua struttura a nido d'ape composta da anelli di atomo di carbonio, visibili come piccoli esagoni. Gli esagoni più grandi derivano da un processo di interferenza che si verifica tra il grafene e il nitruro di boro sottostante. La barra della scala misura un nanometro, o un miliardesimo di metro. (Immagine per gentile concessione di Brian LeRoy/UA)
(PhysOrg.com) -- Grafene, il materiale che compone la matita "mina, " potrebbe un giorno rendere i dispositivi elettronici più piccoli, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico. Fornendo la prima analisi dettagliata del grafene sul nitruro di boro, un team di fisici guidato dall'UA ha fatto scoperte promettenti.
Grafene - un foglio di atomi di carbonio legati in un esagonale, struttura del filo di pollo – rappresenta una grande promessa per la microelettronica. Un solo atomo di spessore e altamente conduttivo, il grafene potrebbe un giorno sostituire i tradizionali microchip di silicio, rendere i dispositivi più piccoli, più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico.
Oltre alle potenziali applicazioni nei circuiti integrati, celle solari, biodispositivi miniaturizzati e sensori di molecole di gas, il materiale ha attirato l'attenzione dei fisici per le sue proprietà uniche nel condurre l'elettricità a livello atomico.
Altrimenti noto come matita "piombo, "Il grafene ha pochissima resistenza e permette agli elettroni di comportarsi come particelle prive di massa come i fotoni, o particelle leggere, viaggiando attraverso la griglia esagonale a velocità molto elevate.
Lo studio delle proprietà fisiche e delle potenziali applicazioni del grafene, però, ha sofferto della mancanza di materiali di supporto adeguati in grado di supportare uno strato piatto di grafene senza interferire con le sue proprietà elettriche.
I ricercatori del dipartimento di fisica dell'Università dell'Arizona, insieme ai collaboratori del Massachusetts Institute of Technology e del National Materials Science Institute in Giappone, hanno compiuto un importante passo avanti verso il superamento di questi ostacoli.
Hanno scoperto che posizionando lo strato di grafene su un materiale quasi identico nella struttura, invece del biossido di silicio comunemente usato che si trova nei microchip, potrebbero migliorare significativamente le sue proprietà elettroniche.
Sostituendo i wafer di silicio con nitruro di boro, una struttura simile al grafene costituita da atomi di boro e azoto al posto degli atomi di carbonio, il gruppo è stato il primo a misurare la topografia e le proprietà elettriche dello strato liscio di grafene risultante con risoluzione atomica.
I risultati sono pubblicati nella pubblicazione online anticipata di Materiali della natura .
"Strutturalmente, il nitruro di boro è fondamentalmente lo stesso del grafene, ma elettronicamente è completamente diverso, " ha detto Brian LeRoy, un assistente professore di fisica e autore senior dello studio. "Il grafene è un conduttore, il nitruro di boro è un isolante."
"Vogliamo che il nostro grafene poggi su qualcosa di isolante, perché ci interessa studiare le proprietà del solo grafene. Per esempio, se vuoi misurare la sua resistenza, e lo metti sul metallo, misurerai solo la resistenza del metallo perché condurrà meglio del grafene."
A differenza del silicio, che è tradizionalmente utilizzato nelle applicazioni elettroniche, il grafene è un singolo foglio di atomi, rendendolo un candidato promettente nella ricerca di dispositivi elettronici sempre più piccoli. Pensa di passare da un tascabile a una carta di credito.
"È tanto piccolo quanto puoi rimpicciolirlo, " LeRoy ha detto. "È un singolo strato, non otterrai mai mezzo strato o qualcosa del genere. Si potrebbe dire che il grafene è il massimo per renderlo piccolo, eppure è ancora un buon conduttore."
Posto su nitruro di boro, il grafene mostra fluttuazioni di carica elettrica molto più piccole, mostrato in rosso e blu (a sinistra) rispetto a quando montato su un wafer di ossido di silicio (a destra). (Immagine per gentile concessione di Brian LeRoy/UA)
Accatastati l'uno sull'altro, 3 milioni di fogli di grafene equivarrebbero a solo 1 millimetro. Il materiale più sottile sulla Terra, il grafene ha portato il Premio Nobel 2010 ad Andre Geim e Konstantin Novoselov, che hanno potuto dimostrare le sue eccezionali proprietà in relazione alla fisica quantistica.
"Usando un microscopio a scansione a effetto tunnel, possiamo guardare gli atomi e studiarli, " ha aggiunto. "Quando mettiamo il grafene sull'ossido di silicio e osserviamo gli atomi, vediamo protuberanze alte circa un nanometro".
Mentre un nanometro - un miliardesimo di metro - potrebbe non sembrare molto, a un elettrone che sfreccia in una griglia di atomi, è piuttosto un dosso sulla strada.
"In pratica è come un pezzo di carta con piccole pieghe, " LeRoy spiega. "Ma se metti la carta, in questo caso il grafene, su nitruro di boro, è molto più piatto. Leviga i dossi di un ordine di grandezza".
LeRoy ammette che il secondo effetto ottenuto dal suo team di ricerca è un po' più difficile da spiegare.
"Quando hai il grafene seduto sull'ossido di silicio, ci sono cariche elettriche intrappolate all'interno dell'ossido di silicio in alcuni punti, e questi inducono una certa carica nel grafene sovrastante. Si ottiene un bel po' di variazione nella densità degli elettroni. Se il grafene si siede sul nitruro di boro, la variazione è di due ordini di grandezza inferiore."
Nel suo laboratorio, LeRoy dimostra il primo passo – e sorprendentemente low-tech – nella caratterizzazione dei campioni di grafene:mette un minuscolo fiocco di grafite – il materiale che costituisce la “mina” della matita – su nastro adesivo, lo ripiega su se stesso e lo sbuccia di nuovo, in un processo che ricorda un test di Rorschach.
"Pieghi questo a metà, " Lui ha spiegato, "e di nuovo, e di nuovo, finché non diventa sottile. Il grafene vuole staccarsi in questi strati, perché i legami tra gli atomi nello strato orizzontale sono forti, ma debole tra atomi appartenenti a strati diversi. Quando lo metti al microscopio ottico, ci saranno regioni con uno, Due, tre, quattro o più strati. Quindi cerchi solo quelli a strato singolo usando il microscopio".
"È difficile trovare il campione perché è molto, molto piccolo, " ha detto Jiamin Xue, uno studente di dottorato nel laboratorio di LeRoy e l'autore principale del documento. "Una volta che lo troviamo, lo mettiamo tra due elettrodi d'oro in modo da poter misurare la conduttanza."
Per misurare la topografia della superficie del grafene, il team utilizza un microscopio a scansione a effetto tunnel, che ha una punta ultrafine che può essere spostata.
"Spostiamo la punta molto vicino al grafene, fino a quando gli elettroni iniziano a tunneling verso di esso, " Xue ha spiegato. "È così che possiamo vedere la superficie. Se c'è un urto, la punta si alza un po'".
Per la misura spettroscopica, Xue tiene la punta a una distanza fissa sopra il campione. Quindi cambia la tensione e misura la quantità di corrente che scorre in funzione di quella tensione e di un dato punto attraverso il campione. Ciò gli consente di mappare diversi livelli di energia nel campione.
"Vuoi un isolante il più sottile possibile, " Ha aggiunto LeRoy. "L'idea iniziale era di scegliere qualcosa di piatto ma isolante. Poiché il nitruro di boro ha essenzialmente la stessa struttura del grafene, puoi sbucciarlo a strati allo stesso modo. Perciò, usiamo un metallo come base, metteteci sopra un sottile strato di nitruro di boro e poi sopra il grafene."
