Un team di fisici dell'Università dell'Arizona ha scoperto come modificare la struttura cristallina del grafene, più comunemente noto come mina di matita, con un campo elettrico, un passo importante verso il possibile utilizzo del grafene in microprocessori che sarebbero più piccoli e più veloci degli attuali, tecnologia a base di silicio.

Il grafene è costituito da fogli di grafite estremamente sottili:quando si scrive con una matita, fogli di grafene si staccano dal nucleo di grafite della matita e si attaccano alla pagina. Se posto sotto un microscopio elettronico ad alta potenza, il grafene rivela la sua struttura a foglio di atomi di carbonio reticolati, simile al filo di pollo.

Quando manipolato da un campo elettrico, parti del materiale si trasformano da comportarsi come un metallo a comportarsi come un semiconduttore, i fisici dell'UA trovarono.

Il grafene è il materiale più sottile al mondo, con 300, 000 fogli necessari per raggiungere lo spessore di un capello umano o di un foglio di carta. Scienziati e ingegneri ne sono interessati per le sue possibili applicazioni in dispositivi microelettronici, nella speranza di spingerci dall'era del silicio all'era del grafene. La parte difficile è controllare il flusso di elettroni attraverso il materiale, un presupposto necessario per metterlo in funzione in qualsiasi tipo di circuito elettronico.

Brian LeRoy, professore associato di fisica UA, e i suoi collaboratori hanno superato un ostacolo verso tale obiettivo dimostrando che un campo elettrico è in grado di controllare la struttura cristallina del grafene a tre strati, che è costituito da tre strati di grafene.

La maggior parte dei materiali richiede temperature elevate, pressione o entrambi per cambiare la loro struttura cristallina, motivo per cui la grafite non si trasforma spontaneamente in diamante o viceversa.

"È estremamente raro che un materiale cambi la sua struttura cristallina semplicemente applicando un campo elettrico, " Ha detto LeRoy. "La produzione di grafene a tre strati è un sistema eccezionalmente unico che potrebbe essere utilizzato per creare nuovi dispositivi".

Il grafene a tre strati può essere impilato in due modi unici. Questo è analogo a impilare strati di palle da biliardo in un reticolo triangolare, con le palline che rappresentano gli atomi di carbonio.

"Quando impili due strati di palle da biliardo, la loro "struttura cristallina" è fissa perché lo strato superiore di palline deve trovarsi nei fori formati dai triangoli dello strato inferiore, " ha spiegato Matthew Yankowitz, uno studente di dottorato del terzo anno nel laboratorio di LeRoy. È il primo autore della ricerca pubblicata, che appare sul giornale Materiali della natura . "Il terzo strato di palline può essere impilato in modo tale che le sue palline siano a filo sopra le palline nello strato inferiore, oppure può essere leggermente sfalsato in modo che le sue palline si trovino sopra i fori formati da triangoli nello strato inferiore."

Queste due configurazioni di impilamento possono naturalmente esistere nello stesso fiocco di grafene. I due domini sono separati da un confine netto in cui gli esagoni di carbonio sono tesi per accogliere la transizione da un modello di impilamento all'altro.

"A causa delle diverse configurazioni di impilamento su entrambi i lati della parete del dominio, un lato del materiale si comporta come un metallo, mentre l'altro lato si comporta come un semiconduttore, " ha spiegato LeRoy.

Mentre sondare la parete del dominio con un campo elettrico, applicato da una punta estremamente affilata per microscopia a scansione a effetto tunnel in metallo, i ricercatori del gruppo di LeRoy hanno scoperto che potevano spostare la posizione della parete del dominio all'interno del fiocco di grafene. E mentre spostavano il muro del dominio, la struttura cristallina del grafene a tre strati è cambiata nella sua scia.

"Avevamo l'idea che ci sarebbero stati interessanti effetti elettronici al confine, e il confine continuava a muoversi su di noi, " Ha detto LeRoy. "All'inizio è stato frustrante, ma una volta capito cosa stava succedendo, si è rivelato essere l'effetto più interessante."

Applicando un campo elettrico per spostare il confine, è ora possibile per la prima volta modificare la struttura cristallina del grafene in modo controllato.

"Ora abbiamo una manopola che possiamo girare per cambiare il materiale da metallico a semiconduttore e viceversa per controllare il flusso di elettroni, " Ha detto LeRoy. " Fondamentalmente ci dà un interruttore on-off, che non era stato ancora realizzato in grafene."

Sebbene siano necessarie ulteriori ricerche prima che il grafene possa essere applicato in applicazioni tecnologiche su scala industriale, i ricercatori vedono come può essere usato.

"Se hai usato un elettrodo largo invece di una punta appuntita, potresti spostare il confine tra le due configurazioni a una distanza maggiore, che potrebbe rendere possibile la creazione di transistor dal grafene, "Ha detto Yankowitz.

I transistor sono un elemento fondamentale dei circuiti elettronici perché controllano il flusso di elettroni.

A differenza dei transistor al silicio utilizzati ora, i transistor a base di grafene potrebbero essere estremamente sottili, rendendo il dispositivo molto più piccolo, e poiché gli elettroni si muovono attraverso il grafene molto più velocemente che attraverso il silicio, i dispositivi consentirebbero un'elaborazione più rapida.

Inoltre, I transistor a base di silicio vengono prodotti per funzionare come uno dei due tipi - tipo p o tipo n - mentre il grafene potrebbe funzionare come entrambi. Ciò li renderebbe più economici da produrre e più versatili nelle loro applicazioni.