(Phys.org) — Nonostante le numerose proprietà impressionanti del grafene, la sua mancanza di un bandgap ne limita l'uso nelle applicazioni elettroniche. In un nuovo studio, gli scienziati hanno teoricamente dimostrato che un bandgap può essere aperto nel grafene piegando fogli di grafene 2D in stile origami ed esponendoli a un campo magnetico. Oltre ad aprire un bandgap, questo metodo produce anche corrente spin-polarizzata nei fogli di grafene, rendendoli attraenti per le applicazioni di spintronica.

Gli scienziati, A.T. Costa, et al., da istituzioni in Brasile, Irlanda, Singapore, e gli Stati Uniti, hanno pubblicato il loro articolo sugli origami di grafene in un recente numero di EPL .

"Mentre l'apertura del bandgap e le correnti spin-polarizzate sono due caratteristiche separate contenute nella lista dei desideri di ogni ricercatore di grafene, abbiamo identificato un modo che potrebbe spuntare entrambe le caselle contemporaneamente, " coautore Mauro Ferreira, Professore Associato al Trinity College di Dublino, detto Phys.org .

Poiché il bandgap è un intervallo di energia in cui non esistono stati di elettroni, l'apertura di una banda proibita nel grafene lo trasforma da materiale conduttore a materiale semiconduttore. Il grafene semiconduttore sarebbe più utile, e potrebbe avere applicazioni particolarmente interessanti per dispositivi spintronici, che sfruttano la proprietà quantomeccanica di spin dell'elettrone oltre alla sua proprietà di carica elettrica.

Uno dei motivi per cui il grafene è un materiale spintronico promettente è che, rispetto ad altri materiali, ha un'interazione spin-orbita estremamente piccola (SOI). Ciò significa che il suo spin interagisce molto poco con il suo moto orbitale, e quindi la dissipazione di spin è praticamente trascurabile nel grafene. Di conseguenza, le informazioni immagazzinate nella rotazione del grafene possono essere conservate per tempi considerevolmente più lunghi rispetto ad altri materiali. Un piccolo SOI significa anche che le informazioni possono viaggiare su lunghe distanze con una perdita minima.

Sebbene un piccolo SOI abbia molti vantaggi, qui gli scienziati volevano aumentare il SOI in parti di grafene perché farlo è necessario per aprire un bandgap. Ricerche recenti hanno dimostrato che la SOI è migliorata quando il grafene viene piegato meccanicamente. Qui, i ricercatori hanno teoricamente dimostrato che un foglio di grafene 2D modellato in creste e depressioni periodiche ha un SOI migliorato nelle regioni curve.

L'aumento del SOI è metà del processo per indurre un bandgap; l'altra metà applica un campo magnetico. Come spiegano i ricercatori, il SOI e il campo magnetico si completano a vicenda in modo tale che entrambe le quantità debbano essere potenziate per indurre un bandgap. L'entità del bandgap è in definitiva determinata dalla minore di queste due quantità.

Un modo per applicare un campo magnetico è drogare il grafene con atomi magnetici. Il doping è anche un altro modo per migliorare la SOI, quindi l'intero processo potrebbe essere potenzialmente ottenuto drogando con i giusti adsorbenti.

Questo metodo presenta alcuni vantaggi rispetto ai precedenti tentativi di aprire un bandgap nel grafene. Finora, i metodi precedenti non sono riusciti a produrre grafene semiconduttore tecnologicamente rilevante per diversi motivi, compreso che la dimensione del bandgap è troppo piccola e che il disordine emerge nel sistema. I ricercatori qui prevedono che il nuovo metodo potrebbe superare queste difficoltà e ottenere finalmente un utile grafene semiconduttore.

Il secondo importante effetto del nuovo metodo, che polarizza lo spin della corrente, significa che gli spin degli elettroni sono allineati nella stessa direzione. Questa caratteristica è particolarmente importante per l'ingegneria dei dispositivi spintronici.

Nel loro studio attuale, i ricercatori hanno dimostrato che il nuovo processo può essere facilmente realizzato depositando fogli di grafene su un substrato con trincee periodiche. Nel futuro, hanno in programma di eseguire misurazioni sulle proprietà elettriche del grafene risultante.

"Anche se abbiamo un buon controllo sperimentale su come vengono piegati i fogli di grafene, misurare le proprietà di trasporto di tali strutture simili a origami rimane impegnativo, " Ferreira ha detto. "Il prossimo passo è adattare alcune delle tecniche di misurazione del trasporto per affrontare le strutture in questa nuova geometria".

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