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grafeno bicapa

El grafeno bicapa es un material formado por dos capas de grafeno . Uno de los primeros informes sobre el grafeno bicapa fue en el artículo fundamental de Science de 2004 de Geim y sus colegas, [1] en el que describían dispositivos "que contenían sólo una, dos o tres capas atómicas".

Estructura

El grafeno bicapa puede existir en la forma AB, o apilada de Bernal , [2] donde la mitad de los átomos se encuentran directamente sobre el centro de un hexágono en la hoja de grafeno inferior y la mitad de los átomos se encuentran sobre un átomo o, menos comúnmente , en forma AA, en la que las capas están exactamente alineadas. [3] En el grafeno apilado de Bernal, los límites gemelos son comunes; transición del apilamiento AB al BA. [4] También se han estudiado ampliamente las capas retorcidas, donde una capa gira con respecto a la otra.

Se han utilizado métodos cuánticos de Monte Carlo para calcular las energías de enlace del grafeno bicapa apilado AA y AB, que son 11,5 (9) y 17,7 (9) meV por átomo, respectivamente. [5] Esto es consistente con la observación de que la estructura apilada AB es más estable que la estructura apilada AA.

Síntesis

El grafeno bicapa se puede producir mediante exfoliación a partir de grafito [6] o mediante deposición química de vapor (CVD). [7] En 2016, Rodney S. Ruoff y sus colegas demostraron que se podía producir grafeno bicapa monocristalino de gran tamaño mediante deposición química de vapor activada por oxígeno. [8] Más tarde, ese mismo año, un grupo coreano informó sobre la síntesis de grafeno bicapa monocristalino apilado en AB a escala de oblea [9]

Banda prohibida sintonizable

Al igual que el grafeno monocapa, el grafeno bicapa tiene una banda prohibida cero y, por tanto, se comporta como un semimetal. En 2007, los investigadores predijeron que se podría introducir una banda prohibida si se aplicaba un campo de desplazamiento eléctrico a las dos capas: la llamada banda prohibida sintonizable . [10] En 2009 se realizó una demostración experimental de una banda prohibida sintonizable en grafeno bicapa. [6] En 2015, los investigadores observaron canales conductores de electrones balísticos 1D en las paredes del dominio de grafeno bicapa. [11] Otro grupo demostró que la banda prohibida de las películas bicapa sobre carburo de silicio se podía controlar ajustando selectivamente la concentración del portador. [12]

Estados complejos emergentes

En 2014, los investigadores describieron la aparición de estados electrónicos complejos en el grafeno bicapa, en particular el efecto Hall cuántico fraccionario , y demostraron que esto podría sintonizarse mediante un campo eléctrico. [13] [14] [15] En 2017, se informó la observación de un estado de Hall cuántico fraccionario de denominador par en grafeno bicapa. [dieciséis]

Condensación excitónica

El grafeno bicapa mostró el potencial de realizar un condensado de excitones de Bose-Einstein . [17] Los electrones y los huecos son fermiones , pero cuando forman un excitón, se convierten en bosones , permitiendo que se produzca la condensación de Bose-Einstein. Se ha demostrado teóricamente que los condensados ​​de excitones en sistemas bicapa transportan una supercorriente . [18]

Superconductividad en grafeno bicapa retorcido

Pablo Jarillo-Herrero del MIT y colegas de Harvard y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Tsukuba, Japón, informaron sobre el descubrimiento de superconductividad en grafeno bicapa con un ángulo de torsión de 1,1° entre las dos capas. El descubrimiento se anunció en Nature en marzo de 2018. [19] Los hallazgos confirmaron las predicciones hechas en 2011 por Allan MacDonald y Rafi Bistritzer de que la cantidad de energía que requeriría un electrón libre para hacer un túnel entre dos láminas de grafeno cambia radicalmente en este ángulo. [20] La bicapa de grafeno se preparó a partir de monocapas exfoliadas de grafeno, y la segunda capa se giró manualmente hasta un ángulo establecido con respecto a la primera capa. Se observó una temperatura crítica con tales muestras en el artículo original (y los artículos más nuevos informan temperaturas ligeramente más altas). [21]

Jarillo-Herrero ha sugerido que tal vez sea posible “... imaginar hacer un transistor superconductor a partir de grafeno, que se pueda encender y apagar, desde superconductor hasta aislante. Esto abre muchas posibilidades para los dispositivos cuánticos”. [22] El estudio de tales redes ha sido denominado " twistronics " y se inspiró en tratamientos teóricos anteriores de conjuntos de grafeno en capas. [23]

Transistores de efecto de campo

El grafeno bicapa se puede utilizar para construir transistores de efecto de campo [24] [25] o transistores de efecto de campo de túnel, [26] aprovechando la pequeña brecha de energía. Sin embargo, la brecha de energía es menor que 250 meV y por lo tanto requiere el uso de un voltaje de operación bajo (< 250 mV), que es demasiado pequeño para obtener un rendimiento razonable para un transistor de efecto de campo, [24] pero es muy adecuado para el funcionamiento de transistores de efecto de campo de túnel, que según la teoría de un artículo de 2009 pueden funcionar con una tensión de funcionamiento de sólo 100 mV. [26]

En 2016, investigadores propusieron el uso de grafeno bicapa para aumentar el voltaje de salida de los transistores de túnel (TT). Operan en un rango de voltaje operativo más bajo (150 mV) que los transistores de silicio (500 mV). La banda de energía del grafeno bicapa es diferente a la de la mayoría de los semiconductores en que los electrones alrededor de los bordes forman una singularidad de Van Hove (de alta densidad) . Esto suministra suficientes electrones para aumentar el flujo de corriente a través de la barrera de energía. Los transistores de grafeno bicapa utilizan dopaje "eléctrico" en lugar de "químico". [27]

Difusión de litio ultrarrápida

En 2017, un grupo internacional de investigadores demostró que el grafeno bicapa podía actuar como un conductor mixto monofásico que exhibía una difusión de Li más rápida que en el grafito en un orden de magnitud. [28] En combinación con la rápida conducción electrónica de las láminas de grafeno, este sistema ofrece conductividad iónica y electrónica dentro del mismo material sólido monofásico. Esto tiene implicaciones importantes para los dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio .

Carbono ultraduro de grafeno bicapa epitaxial

Investigadores de la City University de Nueva York han demostrado que las láminas de grafeno bicapa sobre carburo de silicio se vuelven temporalmente más duras que el diamante al impactar con la punta de un microscopio de fuerza atómica . [29] Esto se atribuyó a una transición grafito-diamante, y el comportamiento parecía ser exclusivo del grafeno bicapa. Esto podría tener aplicaciones en armaduras personales.

Nanocopos porosos

Los procesos de hibridación cambian las propiedades intrínsecas del grafeno y/o inducen interfaces deficientes. En 2014 se anunció una ruta general para obtener grafeno no apilado mediante un crecimiento catalítico sencillo y con plantilla. El material resultante tiene una superficie específica de 1628 m2 g-1, es conductor de electricidad y tiene una estructura mesoporosa . [30]

El material está fabricado con una plantilla de nanoescamas mesoporosas. Se depositan capas de grafeno sobre la plantilla. Los átomos de carbono se acumulan en los mesoporos, formando protuberancias que actúan como espaciadores para evitar el apilamiento. La densidad de protuberancias es aproximadamente5,8 × 10 14  m −2 . El grafeno se deposita en ambos lados de las escamas. [30]

Durante la síntesis de CVD, las protuberancias producen grafeno de doble capa intrínsecamente desapilado después de la eliminación de las nanoescamas. La presencia de tales protuberancias en la superficie puede debilitar las interacciones π-π entre las capas de grafeno y así reducir el apilamiento. El grafeno bicapa muestra una superficie específica de1628 m 2 /g , un tamaño de poro que oscila entre 2 y 7 nm y un volumen de poro total de2,0 cm3 / g . [30]

El uso de grafeno bicapa como material catódico para una batería de litio y azufre produjo capacidades reversibles de 1034 y 734 mA h/g a velocidades de descarga de 5 y 10 C, respectivamente. Después de 1000 ciclos, se mantuvieron capacidades reversibles de unos 530 y 380 mA h/g a 5 y 10 C, con constantes de eficiencia culombicas del 96 y 98 %, respectivamente. [30]

Se obtuvo una conductividad eléctrica de 438 S/cm. Incluso después de la infiltración de azufre se mantuvo una conductividad eléctrica de 107 S cm/l. La estructura porosa única del grafeno permitió el almacenamiento efectivo de azufre en el espacio entre capas, lo que da lugar a una conexión eficiente entre el azufre y el grafeno y evita la difusión de polisulfuros en el electrolito . [30]

Caracterización

Las imágenes Raman globales hiperespectrales [31] son ​​una técnica rápida y precisa para caracterizar espacialmente la calidad del producto. Los modos vibracionales de un sistema lo caracterizan, proporcionando información sobre estequiometría , composición, morfología , tensiones y número de capas. El seguimiento de la intensidad de los picos G y D del grafeno (alrededor de 1580 y 1360 cm −1 ) [32] [33] proporciona información directa sobre el número de capas de la muestra.

Se ha demostrado que las dos capas de grafeno pueden soportar tensiones importantes o desajustes de dopaje [34], lo que en última instancia debería conducir a su exfoliación.

La determinación cuantitativa de los parámetros estructurales del grafeno bicapa, como la rugosidad de la superficie, los espacios entre capas e intracapas, el orden de apilamiento y la torsión entre capas, se puede obtener mediante difracción de electrones 3D [35] [36]

Referencias

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