Nueva técnica para mejorar la calidad del grafeno

Investigadores de los EE.UU., Alemania, Singapur y España han desarrollado una nueva técnica para obtener imágenes de los defectos del límite de grano del grafeno mediante el análisis del comportamiento de los plasmones de su superficie. Su estudio revela que los defectos actúan como barreras electrónicas y son responsables de la baja movilidad de los electrones vista en algunas muestras de grafeno. El equipo también dice que estas barreras pueden encontrar uso como “reflectores sintonizables de plasmones” o “retardadores de fase” en futuros circuitos plasmónicos.

El grafeno es una sola capa atómica de átomos de carbono que están dispuestos en una celosía en forma de nido de abeja. Son una gran promesa para la fabricación de dispositivos electrónicos en el futuro gracias a sus propiedades electrónicas y mecánicas únicas, que incluyen una conductividad eléctrica extremadamente alta y una resistencia excepcional.

El grafeno libre de defectos tiene mejores propiedades mecánicas y electrónicas, pero las técnicas para la creación de muestras de grafeno grandes y vírgenes están limitadas por la aparición de defectos en su contorno. Al igual que las costuras en una colcha hacha de retazos, estos defectos constituyen límites entre las áreas de grafeno perfecto. También son notoriamente difíciles de localizar utilizando técnicas convencionales como la microscopía electrónica de transmisión o la microscopía óptica.

La nueva técnica de nano-imagen desarrollada por Dimitri Basov de la Universidad de California en San Diego y sus colegas se utilizó para estudiar el grafeno creado por deposición de vapor químico (CVD) – una técnica estándar para la fabricación del material que sufre de problemas de límite de grano.

Los plasmones de superficie son oscilaciones coherentes similares a ondas de electrones que ondulan a través de la superficie del grafeno y de algunos otros materiales. En el experimento de Basov los plasmones son creados por una antena de escala nanométrica -la sonda metálica de un microscopio de fuerza atómica- que se coloca cerca de la superficie del grafeno y es excitado por la luz infrarroja. Las ondas de plasmones se reflejan y se dispersan por los límites de grano de grafeno, generando la creación de patrones de interferencia.

“Mediante el registro y el análisis de estos patrones de interferencia, podemos mapear los límites de grano para películas CVD de gran superficie y probar las propiedades electrónicas y ópticas de los límites de los granos individuales al mismo tiempo,” explica el miembro del equipo de Zhe Fei.

Los análisis muestran que los límites de grano en el grafeno ECV son “defectos de líneas cargadas” que actúan como obstáculos para el transporte tanto de carga como de propagación de plasmones. Este descubrimiento, en cierta medida, explica por qué los electrones viajan más lentos en este tipo de grafeno que en muestras libres de defectos. Por otra parte, los límites de grano podrían ser explotados como reflectores de plasmones y retardadores de fase -que son componentes esenciales para los futuros circuitos plasmónicas basados ​​en el grafeno. En efecto, el equipo dice que ya está investigando en la fabricación de estos circuitos mediante la creación de barreras de carga en el grafeno que son similares en estructura a los límites de grano.

Los reflectores plasmóticos se utilizan para cambiar la ruta de acceso de las ondas de plasmones en un material; de modo similar a un espejo (o un divisor de haz) en óptica, explica Fei. Los retardadores de fase plasmón se utilizan para añadir retardo de fase a las ondas de plasmones, en analogía con una placa de onda óptica. “Nuestros experimentos indican que las propias barreras electrónicas del grafeno son reflectores de plasmones y retardadores de fase y por lo tanto pueden ser utilizados para reflejar las ondas de plasmones y también para añadir retardo de fase de las ondas reflejadas.”

Controlar plasmones de esta manera podrían ser particularmente útil para reducir el tamaño de los dispositivos ópticos. Esto se debe a que la luz puede interactuar con los plasmones de la superficie para crear ondas llamadas plasmones superficiales polaritonas (SPP), que tienen longitudes de onda mucho más cortas que la luz original. Como resultado, los dispositivos de control de SPP pueden ser mucho más pequeños que sus homólogos ópticos.

La técnica de nano-formación de imágenes también puede ser utilizada para analizar una variedad de otros materiales en los que existen ondas de plasmones. Como materiales que incluyen metales, superconductores y aislantes topológicos. Se puede incluso extender a estructuras que soportan fonones de ondas de superficie (vibraciones de la red cristalina), como materiales dieléctricos, por ejemplo.

“Las propiedades electrónicas de un límite de grano tienen mucho que ver con su estructura atómica, así que ahora vamos a correlacionar nuestra técnica con un método a escala atómica, como la microscopía de efecto túnel, para estudiar los límites de grano”, dice Fei. “Este tipo de estudios nos ayudarán a entender mejor la relación exacta entre la estructura y las propiedades de estos defectos.”

Autor: Belle Dumme

Enlace original: Surface plasmons reveal grain boundaries in graphene