Il dispositivo su cui stai leggendo questo articolo è nato dalla rivoluzione del silicio. Per costruire circuiti elettrici moderni, i ricercatori controllano le capacità di conduzione della corrente del silicio tramite il drogaggio, che è un processo che introduce elettroni caricati negativamente o "buchi" caricati positivamente dove si trovavano gli elettroni. Ciò consente di controllare il flusso di elettricità e per il silicio comporta l'iniezione di altri elementi atomici in grado di regolare gli elettroni, noti come droganti, nel suo reticolo atomico tridimensionale (3D).

Il reticolo 3D del silicio, tuttavia, è troppo grande per l'elettronica di prossima generazione, che include transistor ultrasottili, nuovi dispositivi per la comunicazione ottica e biosensori flessibili che possono essere indossati o impiantati nel corpo umano. Per snellire le cose, i ricercatori stanno sperimentando materiali non più spessi di un singolo foglio di atomi, come il grafene. Ma il metodo collaudato per drogare il silicio 3D non funziona con il grafene 2D, che consiste in un singolo strato di atomi di carbonio che normalmente non conduce corrente.

Invece di iniettare droganti, i ricercatori hanno provato a stratificare uno "strato di trasferimento di carica" ​​destinato ad aggiungere o allontanare elettroni dal grafene. Tuttavia, i metodi precedenti utilizzavano materiali "sporchi" nei loro strati di trasferimento di carica; le impurità in questi lascerebbero il grafene drogato in modo non uniforme e ne impedirebbero la capacità di condurre elettricità.

Ora, un nuovo studio su Nature Electronics propone un modo migliore. Un team interdisciplinare di ricercatori, guidato da James Hone e James Teherani della Columbia University, e Won Jong Yoo della Sungkyungkwan University in Corea, descrive una tecnica pulita per drogare il grafene tramite uno strato di trasferimento di carica costituito da ossiseleniuro di tungsteno (TOS) a bassa impurità. .

Il team ha generato il nuovo strato "pulito" ossidando un singolo strato atomico di un altro materiale 2D, il seleniuro di tungsteno. Quando il TOS è stato stratificato sopra il grafene, hanno scoperto che lasciava il grafene crivellato di fori conduttori di elettricità. Questi fori potrebbero essere perfezionati per controllare meglio le proprietà di conduzione dell'elettricità dei materiali aggiungendo alcuni strati atomici di seleniuro di tungsteno tra il TOS e il grafene.

I ricercatori hanno scoperto che la mobilità elettrica del grafene, o la facilità con cui le cariche si muovono attraverso di esso, era maggiore con il loro nuovo metodo di drogaggio rispetto ai tentativi precedenti. L'aggiunta di distanziatori di seleniuro di tungsteno ha ulteriormente aumentato la mobilità al punto in cui l'effetto del TOS diventa trascurabile, lasciando che la mobilità sia determinata dalle proprietà intrinseche del grafene stesso. Questa combinazione di alto drogaggio e alta mobilità conferisce al grafene una maggiore conduttività elettrica rispetto a quella dei metalli altamente conduttivi come il rame e l'oro.

Man mano che il grafene drogato è migliorato nella conduzione dell'elettricità, è diventato anche più trasparente, hanno affermato i ricercatori. Ciò è dovuto al blocco di Pauli, un fenomeno in cui le cariche manipolate dal drogaggio impediscono al materiale di assorbire la luce. Alle lunghezze d'onda dell'infrarosso utilizzate nelle telecomunicazioni, il grafene è diventato trasparente per oltre il 99%. Raggiungere un alto tasso di trasparenza e conduttività è fondamentale per spostare le informazioni attraverso dispositivi fotonici basati sulla luce. Se viene assorbita troppa luce, le informazioni vanno perse. Il team ha riscontrato una perdita molto minore per il grafene drogato con TOS rispetto ad altri conduttori, suggerendo che questo metodo potrebbe avere il potenziale per i dispositivi fotonici ultra efficienti di prossima generazione.

"Questo è un nuovo modo per personalizzare le proprietà del grafene su richiesta", ha affermato Hone. "Abbiamo appena iniziato a esplorare le possibilità di questa nuova tecnica."

Una direzione promettente è alterare le proprietà elettroniche e ottiche del grafene modificando il modello del TOS e imprimere circuiti elettrici direttamente sul grafene stesso. Il team sta anche lavorando per integrare il materiale drogato in nuovi dispositivi fotonici, con potenziali applicazioni nell'elettronica trasparente, nei sistemi di telecomunicazione e nei computer quantistici. + Esplora ulteriormente

Lo stretching modifica le proprietà elettroniche del grafene