Il germanene è un materiale 2-D derivato dal germanio e correlato al grafene. Non essendo stabile al di fuori delle camere a vuoto in cui viene prodotto, non sono state effettuate misurazioni reali delle sue proprietà elettroniche. Gli scienziati guidati dal prof. Justin Ye dell'Università di Groningen hanno ora prodotto dispositivi con germanene stabile. Il materiale è un isolante, e diventa un semiconduttore dopo un riscaldamento moderato e un ottimo conduttore metallico dopo un riscaldamento più forte. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nano lettere .

I materiali di un solo strato atomico sono di interesse nella costruzione di nuovi tipi di microelettronica. Il più noto di questi, grafene, è un ottimo conduttore. Anche materiali come silicio e germanio potrebbero essere interessanti, in quanto sono pienamente compatibili con i protocolli consolidati per la fabbricazione di dispositivi, e potrebbe essere perfettamente integrato nell'attuale tecnologia dei semiconduttori.

"Ma la versione 2-D del germanio, germanene, è molto instabile, " spiega Justin Ye, professore associato di fisica dei dispositivi dell'Università di Groningen. Il germanene è ottenuto dal germanio con l'aggiunta di calcio. Gli ioni calcio creano strati 2-D da un cristallo 3-D e vengono quindi sostituiti da idrogeno. Questi strati 2-D di germanio e l'idrogeno sono chiamati germanano.Ma una volta che l'idrogeno viene rimosso per formare il germanene, il materiale diventa instabile.

Ye e i suoi colleghi hanno risolto questo problema in un modo straordinariamente semplice. Hanno fatto dispositivi con il germanano stabile, e poi riscaldato il materiale per rimuovere l'idrogeno. Ciò ha portato a dispositivi stabili con germanene, che ha permesso agli scienziati di studiarne le proprietà elettroniche.

Idrogeno

"Il materiale iniziale era un isolante, " dice Ye. Uno studente di dottorato del suo gruppo ha riscaldato questi dispositivi, che è un metodo collaudato per aumentare la conduttività. Ha notato che il materiale è diventato molto conduttivo, e la sua resistenza era appena un ordine di grandezza sopra quella del grafene. "Così è diventato un eccellente conduttore metallico." Ulteriori esperimenti hanno mostrato che un riscaldamento moderato (fino a 200°C) produceva germanano semiconduttore.

Germanene può, perciò, essere un isolante, un semiconduttore o un conduttore metallico, a seconda del trattamento termico con cui viene lavorato. Rimane stabile dopo essere stato raffreddato a temperatura ambiente. Il riscaldamento fa sì che i fiocchi multistrato di germanene diventino più sottili, conferma che il cambiamento nella conduttività è molto probabilmente causato dalla scomparsa dell'idrogeno.

Germanene potrebbe essere di interesse nella costruzione di dispositivi spintronici. Questi dispositivi utilizzano una corrente di spin di elettroni. Questa è una proprietà meccanica quantistica degli elettroni, che possono essere meglio immaginati come elettroni che ruotano attorno al proprio asse, facendoli comportare come piccoli aghi di bussola. Il grafene è un ottimo conduttore di spin elettronici, ma è difficile controllare gli spin in questo materiale a causa della loro debole interazione con gli atomi di carbonio (accoppiamento spin-orbita).

"Gli atomi di germanio sono più pesanti, il che significa che c'è un accoppiamento spin-orbita più forte, ", afferma Ye. Ciò fornirebbe un migliore controllo degli spin. Essere in grado di costruire germanene metallico con un'eccellente conduttività e un forte accoppiamento spin-orbita dovrebbe quindi aprire la strada ai dispositivi spintronici.