(Phys.org) — Il grafene ha abbagliato gli scienziati, sin dalla sua scoperta più di dieci anni fa, con le sue ineguagliabili proprietà elettroniche, la sua forza e la sua leggerezza. Ma un obiettivo a lungo cercato si è rivelato sfuggente:come trasformare nel grafene una proprietà chiamata band gap, che sarebbe necessario utilizzare il materiale per realizzare transistor e altri dispositivi elettronici.

Ora, le nuove scoperte dei ricercatori del MIT sono un passo importante verso la produzione di grafene con questa ambita proprietà. Il lavoro potrebbe anche portare a revisioni di alcune previsioni teoriche nella fisica del grafene.

La nuova tecnica prevede il posizionamento di un foglio di grafene, un materiale a base di carbonio la cui struttura è spessa solo un atomo, sopra nitruro di boro esagonale, un altro materiale dello spessore di un atomo con proprietà simili. Il materiale risultante condivide la straordinaria capacità del grafene di condurre elettroni, mentre si aggiunge il band gap necessario per formare transistor e altri dispositivi a semiconduttore.

Il lavoro è descritto in un articolo sulla rivista Scienza co-autore di Pablo Jarillo-Herrero, il Mitsui Career Development Assistant Professor of Physics al MIT, Professore di Fisica Ray Ashoori, e altri 10.

"Combinando due materiali, "Jarillo-Herrero dice, "abbiamo creato un materiale ibrido che ha proprietà diverse da uno dei due".

Il grafene è un ottimo conduttore di elettroni, mentre il nitruro di boro è un buon isolante, bloccando il passaggio degli elettroni. "Abbiamo realizzato un semiconduttore di alta qualità mettendoli insieme, " spiega Jarillo-Herrero. Semiconduttori, che può passare dallo stato conduttivo a quello isolante, sono la base di tutta l'elettronica moderna.

Per far funzionare il materiale ibrido, i ricercatori hanno dovuto allinearsi, con quasi perfezione, i reticoli atomici dei due materiali, entrambi costituiti da una serie di esagoni. La dimensione degli esagoni (nota come costante reticolare) nei due materiali è quasi la stessa, ma non del tutto:quelli in nitruro di boro sono più grandi dell'1,8%. Quindi, mentre è possibile allineare gli esagoni quasi perfettamente in un punto, su un'area più ampia il pattern entra ed esce dal registro.

A questo punto, i ricercatori dicono che devono fare affidamento sulla possibilità per ottenere l'allineamento angolare per le proprietà elettroniche desiderate nello stack risultante. Però, l'allineamento risulta corretto circa una volta su 15, dicono.

"Le qualità del nitruro di boro sanguinano nel grafene, " dice Ashoori. Ma la cosa più "spettacolare, " Aggiunge, è che le proprietà del semiconduttore risultante possono essere "sintonizzate" semplicemente ruotando leggermente un foglio rispetto all'altro, consentendo uno spettro di materiali con varie caratteristiche elettroniche.

Altri hanno trasformato il grafene in un semiconduttore incidendo i fogli in nastri sottili, Ashoori dice, ma un tale approccio degrada sostanzialmente le proprietà elettriche del grafene. Al contrario, il nuovo metodo sembra non produrre tale degrado.

Il band gap creato finora nel materiale è inferiore a quello necessario per i dispositivi elettronici pratici; trovare modi per aumentarlo richiederà ulteriore lavoro, dicono i ricercatori.

"Se... si potesse progettare un ampio intervallo di banda, potrebbe avere applicazioni in tutta l'elettronica digitale, " dice Jarillo-Herrero. Ma anche al suo livello attuale, Aggiunge, questo approccio potrebbe essere applicato ad alcune applicazioni optoelettroniche, come i fotorilevatori.

I risultati "ci hanno piacevolmente sorpreso, "Ashori dice, e richiederà qualche spiegazione da parte dei teorici. A causa della differenza nelle costanti reticolari dei due materiali, i ricercatori avevano previsto che le proprietà dell'ibrido sarebbero diverse da un luogo all'altro. Anziché, hanno trovato una costante, e inaspettatamente grande, banda passante su tutta la superficie.

Inoltre, Jarillo-Herrero dice, l'entità del cambiamento nelle proprietà elettriche prodotto mettendo insieme i due materiali "è molto più grande di quanto la teoria preveda".

Il team del MIT ha anche osservato un nuovo interessante fenomeno fisico. Quando esposto a un campo magnetico, il materiale mostra proprietà frattali, note come spettro energetico della farfalla di Hofstadter, descritte decenni fa dai teorici, ma pensato impossibile nel mondo reale. C'è un'intensa ricerca in questo settore; altri due gruppi di ricerca riportano anche su questi effetti della farfalla di Hofstadter questa settimana nella rivista Natura . (vedi:graphene-butterflies.html" target="_blank"> phys.org/news/2013-05-61387688 … 95e-butterflies.html e phys.org/news287824835.html )