Un team internazionale di ricercatori guidato dalla Columbia University ha sviluppato una tecnica per manipolare la conduttività elettrica del grafene con la compressione, portando il materiale un passo più vicino ad essere un semiconduttore praticabile per l'uso nei dispositivi elettronici di oggi.

"Il grafene è il miglior conduttore elettrico che conosciamo sulla Terra, " ha detto Matthew Yankowitz, un ricercatore post-dottorato nel dipartimento di fisica della Columbia e primo autore dello studio. "Il problema è che è troppo bravo a condurre l'elettricità, e non sappiamo come fermarlo in modo efficace. Il nostro lavoro stabilisce per la prima volta un percorso per realizzare un gap di banda tecnologicamente rilevante nel grafene senza comprometterne la qualità. Inoltre, se applicato ad altre interessanti combinazioni di materiali 2-D, la tecnica che abbiamo usato può portare a nuovi fenomeni emergenti, come il magnetismo, superconduttività, e altro."

Lo studio, finanziato dalla National Science Foundation e dalla David and Lucille Packard Foundation, appare nel numero del 17 maggio di Natura .

Le insolite proprietà elettroniche del grafene, un materiale bidimensionale (2-D) composto da atomi di carbonio legati esagonali, hanno entusiasmato la comunità dei fisici sin dalla sua scoperta più di dieci anni fa. Il grafene è il più forte, materiale più sottile che esista. Capita anche di essere un conduttore di elettricità superiore:l'esclusiva disposizione atomica degli atomi di carbonio nel grafene consente ai suoi elettroni di viaggiare facilmente a velocità estremamente elevate senza la significativa possibilità di dispersione, risparmiando energia preziosa tipicamente persa in altri conduttori.

Ma spegnere la trasmissione di elettroni attraverso il materiale senza alterare o sacrificare le qualità favorevoli del grafene si è dimostrato finora infruttuoso.

"Uno dei grandi obiettivi della ricerca sul grafene è trovare un modo per mantenere tutte le cose buone del grafene ma anche creare un intervallo di banda:un interruttore elettrico on-off, " ha detto Cory Dean, assistente professore di fisica alla Columbia University e ricercatore principale dello studio. Ha spiegato che gli sforzi passati per modificare il grafene per creare un tale gap di banda hanno degradato le proprietà intrinsecamente buone del grafene, rendendolo molto meno utile. Una sovrastruttura promette bene, però. Quando il grafene è inserito tra strati di nitruro di boro (BN), un isolante elettrico atomicamente sottile, e i due materiali sono allineati in rotazione, il BN ha dimostrato di modificare la struttura elettronica del grafene, creando una banda proibita che consente al materiale di comportarsi come un semiconduttore, ovvero sia come conduttore elettrico che come isolante. Il band gap creato da questa stratificazione da solo, però, non è abbastanza grande da essere utile nel funzionamento di dispositivi elettrici a transistor a temperatura ambiente.

Nel tentativo di migliorare questo gap di banda, Yankowitz, Decano, e i loro colleghi del National High Magnetic Field Laboratory, l'Università di Seoul in Corea, e l'Università Nazionale di Singapore, ha compresso gli strati della struttura del BN-grafene e ha scoperto che l'applicazione della pressione aumentava sostanzialmente la dimensione della banda proibita, bloccando in modo più efficace il flusso di elettricità attraverso il grafene.

"Mentre spremiamo e facciamo pressione, il band gap cresce, " ha detto Yankowitz. "Non c'è ancora un gap abbastanza grande - un interruttore abbastanza forte - da usare in dispositivi a transistor a temperatura ambiente, ma abbiamo acquisito una comprensione fondamentalmente migliore del motivo per cui esiste questo gap di banda, in primo luogo, come può essere sintonizzato, e come potremmo indirizzarlo in futuro. I transistor sono onnipresenti nei nostri moderni dispositivi elettronici, quindi, se riuscissimo a trovare un modo per utilizzare il grafene come transistor, avrebbe applicazioni diffuse".

Yankowitz ha aggiunto che da anni gli scienziati conducono esperimenti ad alte pressioni in materiali tridimensionali convenzionali, ma nessuno aveva ancora trovato un modo per realizzarli con materiali 2-D. Ora, i ricercatori saranno in grado di testare come l'applicazione di vari gradi di pressione modifica le proprietà di una vasta gamma di combinazioni di materiali 2-D impilati.

"Qualsiasi proprietà emergente che risulta dalla combinazione di materiali 2D dovrebbe diventare più forte man mano che i materiali vengono compressi, " ha detto Yankowitz. "Possiamo prendere una qualsiasi di queste strutture arbitrarie ora e spremerle e la forza dell'effetto risultante è regolabile. Abbiamo aggiunto un nuovo strumento sperimentale alla cassetta degli attrezzi che usiamo per manipolare i materiali 2D e quello strumento apre possibilità illimitate per la creazione di dispositivi con proprietà di design".