stringtranslate.com

Grafeno bicapa

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

Estructura

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

Se han utilizado métodos de Monte Carlo cuántico 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 coherente con la observación de que la estructura apilada AB es más estable que la estructura apilada AA.

Síntesis

El grafeno bicapa se puede fabricar mediante exfoliación a partir del grafito [6] o mediante deposición química en fase 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 en fase de vapor activada por oxígeno. [8] Más tarde, ese mismo año, un grupo coreano informó sobre la síntesis de grafeno bicapa apilado AB monocristalino a escala de oblea [9].

Banda prohibida ajustable

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

Estados complejos emergentes

En 2014, los investigadores describieron la aparición de estados electrónicos complejos en grafeno bicapa, en particular el efecto Hall cuántico fraccional , y demostraron que este podría ajustarse mediante un campo eléctrico. [13] [14] [15] En 2017, se informó sobre la observación de un estado Hall cuántico fraccional de denominador par en grafeno bicapa. [16]

Condensación excitónica

El grafeno bicapa mostró el potencial para generar un condensado de Bose-Einstein de excitones . [17] Los electrones y los huecos son fermiones , pero cuando forman un excitón, se convierten en bosones , lo que permite 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 del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Tsukuba, Japón, han informado del descubrimiento de superconductividad en grafeno bicapa con un ángulo de torsión de 1,1° entre las dos capas. El descubrimiento fue anunciado 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 un electrón libre necesitaría 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 rotó manualmente hasta un ángulo establecido con respecto a la primera capa. Se observó una temperatura crítica de con tales muestras en el artículo original (y artículos más recientes informan temperaturas ligeramente más altas). [21]

Jarillo-Herrero ha sugerido que podría ser posible “... imaginar la fabricación de un transistor superconductor a partir de grafeno, que se puede encender y apagar, pasando de superconductor a aislante. Eso abre muchas posibilidades para los dispositivos cuánticos”. [22] El estudio de dichas redes se ha denominado “ twistrónica ” y se inspiró en tratamientos teóricos anteriores de ensamblajes en capas de grafeno. [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 efecto 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 efecto túnel, que según la teoría de un artículo de 2009 pueden funcionar con un voltaje de operación de solo 100 mV. [26]

En 2016, los 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 proporciona 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 ultrarrápida de litio

En 2017, un grupo internacional de investigadores demostró que el grafeno bicapa podría actuar como un conductor mixto monofásico que exhibía una difusión de Li más rápida que en el grafito por 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 a partir de grafeno epitaxial de doble capa

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 de grafito a diamante, y el comportamiento parecía ser exclusivo del grafeno bicapa. Esto podría tener aplicaciones en la armadura personal.

Nanoláminas porosas

Los procesos de hibridación modifican 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 plantillas. 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 hecho con una plantilla de nanoláminas mesoporosas. Sobre la plantilla se depositan capas de grafeno. Los átomos de carbono se acumulan en los mesoporos, formando protuberancias que actúan como espaciadores para evitar el apilamiento. La densidad de protuberancias es de aproximadamente5,8 × 10 14  m −2 . El grafeno se deposita en ambos lados de las láminas. [30]

Durante la síntesis de CVD, las protuberancias producen grafeno de doble capa intrínsecamente no apilado después de la eliminación de las nanoláminas. La presencia de dichas protuberancias en la superficie puede debilitar las interacciones π-π entre las capas de grafeno y, por lo tanto, reducir el apilamiento. El grafeno bicapa muestra un área de superficie específica de1628 m 2 /g , un tamaño de poro que varía de 2 a 7 nm y un volumen total de poro de2,0 cm3 / g . [30]

El uso de grafeno bicapa como material de cátodo para una batería de litio y azufre produjo capacidades reversibles de 1034 y 734 mA h/g a tasas de descarga de 5 y 10 C, respectivamente. Después de 1000 ciclos, se mantuvieron capacidades reversibles de aproximadamente 530 y 380 mA h/g a 5 y 10 C, con constantes de eficiencia coulombiana de 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/1. 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

La obtención de imágenes Raman globales hiperespectrales [31] es una técnica precisa y rápida para caracterizar espacialmente la calidad del producto. Los modos vibracionales de un sistema lo caracterizan, proporcionando información sobre la estequiometría , la composición, la morfología , el estrés y el 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 una tensión importante o un desajuste de dopaje [34] 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 espaciamientos entre capas y dentro de ellas, el orden de apilamiento y la torsión entre capas) se puede obtener mediante difracción de electrones 3D [35] [36]

Referencias

  1. ^ Novoselov, KS; Geim, Alaska; Morózov, SV; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, SV; Grigorieva, IV; Firsov, AA (2004). "Efecto de campo eléctrico en una película de carbono atómicamente delgada". Ciencia . 306 (5696): 666–669. arXiv : cond-mat/0410550 . Código Bib : 2004 Ciencia... 306..666N. doi : 10.1126/ciencia.1102896. PMID  15499015. S2CID  5729649.
  2. ^ K Yan; H Peng; Y Zhou; H Li; Z Liu (2011). "Formación de grafeno Bernal bicapa: epitaxia capa por capa mediante deposición química de vapor". Nano Lett . 11 (3): 1106–10. Código Bibliográfico :2011NanoL..11.1106Y. doi :10.1021/nl104000b. PMID  21322597.
  3. ^ Z Liu; K Suenaga PJF Harris; S Iijima (2009). "Bordes abiertos y cerrados de capas de grafeno". Phys. Rev. Lett . 102 (1): 015501. Bibcode :2009PhRvL.102a5501L. doi :10.1103/physrevlett.102.015501. PMID  19257205.
  4. ^ Min, Lola; Hovden, Robert; Huang, Pinshane; Wojcik, Michal; Muller, David A.; Park, Jiwoong (2012). "Maclura y torsión de grafeno tricapa y bicapa". Nano Letters . 12 (3): 1609–1615. Bibcode :2012NanoL..12.1609B. doi :10.1021/nl204547v. PMID  22329410.
  5. ^ E. Mostaani, ND Drummond y VI Fal'ko (2015). "Cálculo cuántico de Monte Carlo de la energía de enlace del grafeno bicapa". Phys. Rev. Lett . 115 (11): 115501. arXiv : 1506.08920 . Código Bibliográfico :2015PhRvL.115k5501M. doi :10.1103/PhysRevLett.115.115501. PMID  26406840. S2CID  33986700.
  6. ^ ab Y Zhang; T Tang; C Girit; Z Hao; MC Martin; A Zettl; MF Crommie; YR Shen; F Wang (2009). "Observación directa de una banda prohibida ampliamente ajustable en grafeno bicapa". Nature . 459 (7248): 820–23. Bibcode :2009Natur.459..820Z. doi :10.1038/nature08105. OSTI  974550. PMID  19516337. S2CID  205217165.
  7. ^ W Liu; et al. (2014). "Síntesis controlable y rápida de grafeno bicapa apilado de Bernal de gran superficie y alta calidad mediante deposición química de vapor". Chem. Mater . 26 (2): 907–15. doi :10.1021/cm4021854.
  8. ^ Y Hao; et al. (2016). "Crecimiento activado por oxígeno y capacidad de ajuste de la banda prohibida de grafeno bicapa monocristalino de gran tamaño" (PDF) . Nature Nanotechnology . 11 (5): 820–23. Bibcode :2016NatNa..11..426H. doi :10.1038/nnano.2015.322. PMID  26828845. S2CID  27131160.
  9. ^ VL Nguyen; et al. (2016). "Grafeno bicapa apilado AB monocristalino a escala de oblea". Adv. Mater . 28 (37): 8177–8183. doi :10.1002/adma.201601760. PMID  27414480. S2CID  205270193.
  10. ^ Min, Hongki; Sahu, Bhagawan; Banerjee, Sanjay; MacDonald, A. (2007). "Teoría ab initio de huecos inducidos por compuertas en bicapas de grafeno". Physical Review B . 75 (15): 155115. arXiv : cond-mat/0612236 . Código Bibliográfico :2007PhRvB..75o5115M. doi :10.1103/PhysRevB.75.155115. S2CID  119443126.
  11. ^ L Ju; et al. (2015). "Transporte de valles topológicos en las paredes de dominios de grafeno bicapa". Nature . 520 (7549): 650–55. Bibcode :2015Natur.520..650J. doi :10.1038/nature14364. PMID  25901686. S2CID  4448055.
  12. ^ T Ohta (2006). "Control de la estructura electrónica del grafeno bicapa". Science . 313 (5789): 951–954. Bibcode :2006Sci...313..951O. doi :10.1126/science.1130681. hdl : 11858/00-001M-0000-0011-03BF-3 . PMID  16917057. S2CID  192332.
  13. ^ A Kou; et al. (2014). "Efecto Hall cuántico entero y fraccionario asimétrico de agujero de electrón en grafeno bicapa". Science . 345 (6192): 55–57. arXiv : 1312.7033 . Bibcode :2014Sci...345...55K. doi :10.1126/science.1250270. PMID  24994644. S2CID  14223087.
  14. ^ K Lee; et al. (2014). "Potencial químico y ferromagnetismo Hall cuántico en grafeno bicapa". Science . 345 (6192): 58–61. arXiv : 1401.0659 . Bibcode :2014Sci...345...58L. doi :10.1126/science.1251003. PMID  24994645. S2CID  206555219.
  15. ^ P Maher; et al. (2014). "Fases Hall cuánticas fraccionarias sintonizables en grafeno bicapa". Science . 345 (6192): 61–64. arXiv : 1403.2112 . Bibcode :2014Sci...345...61M. doi :10.1126/science.1252875. PMID  24994646. S2CID  206556477.
  16. ^ Li JIA (2017). "Estados Hall cuánticos fraccionarios de denominador par en grafeno bicapa". Science . 358 (6363): 648–652. arXiv : 1705.07846 . Bibcode :2017Sci...358..648L. doi :10.1126/science.aao2521. PMID  28982799. S2CID  206662733.
  17. ^ Barlas, Y.; Côté, R.; Lambert, J.; MacDonald, AH (2010). "Condensación anómala de excitones en bicapas de grafeno". Physical Review Letters . 104 (9): 096802. arXiv : 0909.1502 . Código Bibliográfico :2010PhRvL.104i6802B. doi :10.1103/PhysRevLett.104.096802. PMID  20367001. S2CID  33249360.
  18. ^ Su, JJ; MacDonald, AH (2008). "Cómo hacer que fluya un condensado de excitones bicapa". Nature Physics . 4 (10): 799–802. arXiv : 0801.3694 . Código Bibliográfico :2008NatPh...4..799S. doi :10.1038/nphys1055. S2CID  118573989.
  19. ^ Y Cao , V Fatemi, A Demir, S Fang, SL Tomarken, JY Luo, JD Sanchez-Yamagishi, K Watanabe, T Taniguchi, E Kaxiras, RC Ashoori, P Jarillo-Herrero (2018). "Comportamiento de aislante correlacionado en el medio llenado en superredes de grafeno de ángulo mágico". Nature . 556 (7699): 80–84. arXiv : 1802.00553 . Código Bibliográfico :2018Natur.556...80C. doi :10.1038/nature26154. PMID  29512654. S2CID  4601086.{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  20. ^ Bistritzer, R.; MacDonald, AH (26 de julio de 2011). "Bandas de muaré en grafeno de doble capa retorcido". Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 108 (30): 12233–12237. arXiv : 1009.4203 . Código Bibliográfico :2011PNAS..10812233B. doi : 10.1073/pnas.1108174108 . ISSN  0027-8424. PMC 3145708 . PMID  21730173. 
  21. ^ Lu, Xiaobo; Stepanov, Petr; Yang, Wei; Xie, Ming; Aamir, Mohammed Ali; Das, Ipsita; Urgell, Carles; Watanabe, Kenji; Taniguchi, Takashi; Zhang, Guangyu; Bachtold, Adrián; MacDonald, Allan H.; Efetov, Dmitri K. (2019). "Superconductores, imanes orbitales y estados correlacionados en grafeno bicapa de ángulo mágico". Naturaleza . 574 (7780): 653–657. arXiv : 1903.06513 . Código Bib :2019Natur.574..653L. doi :10.1038/s41586-019-1695-0. ISSN  0028-0836. Número de modelo: PMID  31666722. Número de modelo: S2CID  117904421.
  22. ^ "Las superredes de grafeno podrían utilizarse para transistores superconductores". El próximo gran futuro . Consultado el 10 de abril de 2018 .
  23. ^ Carr, Stephen; Massatt, Daniel; Fang, Shiang; Cazeaux, Paul; Luskin, Mitchell; Kaxiras, Efthimios (17 de febrero de 2017). "Twistrónica: manipulación de las propiedades electrónicas de estructuras en capas bidimensionales a través de su ángulo de torsión". Physical Review B . 95 (7): 075420. arXiv : 1611.00649 . Código Bibliográfico :2017PhRvB..95g5420C. doi : 10.1103/PhysRevB.95.075420 . ISSN  2469-9950.
  24. ^ ab Fiori, Gianluca; Iannaccone, Giuseppe (marzo de 2009). "Sobre la posibilidad de un FET de grafeno bicapa con espacio ajustable". IEEE Electron Device Letters . 30 (3): 261–264. arXiv : 0810.0128 . Bibcode :2009IEDL...30..261F. doi :10.1109/led.2008.2010629. ISSN  0741-3106. S2CID  9836577.
  25. ^ Schwierz, F. (2010). "Transistores de grafeno". Nature Nanotechnology . 5 (7): 487–496. Bibcode :2010NatNa...5..487S. doi :10.1038/nnano.2010.89. PMID  20512128.
  26. ^ ab Fiori, Gianluca; Iannaccone, Giuseppe (octubre de 2009). "FET túnel de grafeno bicapa de voltaje ultrabajo". IEEE Electron Device Letters . 30 (10): 1096–1098. arXiv : 0906.1254 . Código Bibliográfico :2009IEDL...30.1096F. doi :10.1109/led.2009.2028248. ISSN  0741-3106. S2CID  2733091.
  27. ^ Irving, Michael (24 de mayo de 2016). "Un transistor basado en grafeno de potencia ultrabaja podría permitir velocidades de reloj de 100 GHz". newatlas.com . Consultado el 30 de abril de 2017 .
  28. ^ Kühne, M (2017). "Difusión ultrarrápida de litio en grafeno bicapa". Nature Nanotechnology . 12 (9): 895–900. arXiv : 1701.02399 . Código Bibliográfico :2017NatNa..12..895K. doi :10.1038/nnano.2017.108. PMID  28581509. S2CID  205456201.
  29. ^ Gao, Y (2018). "Película de carbono ultradura a partir de grafeno epitaxial de dos capas". Nature Nanotechnology . 13 (2): 133–138. arXiv : 1801.00520 . Código Bibliográfico :2018NatNa..13..133G. doi :10.1038/s41565-017-0023-9. PMID  29255290. S2CID  24691099.
  30. ^ abcde Zhao, MQ; Zhang, Q; Huang, JQ; Tian, ​​GL; Nie, JQ; Peng, HJ; Wei, F (2014). "Investigadores desarrollan grafeno de doble capa intrínsecamente no apilado". Nat Commun . 5 . Rdmag.com: 3410. Bibcode :2014NatCo...5.3410Z. doi : 10.1038/ncomms4410 . PMID  24583928 . Consultado el 5 de abril de 2014 .
  31. ^ Gaufrès, E.; Tang, NY-Wa; Lapointe, F.; Cabana, J.; Nadon, M.-A.; Cottenye, N.; Raymond, F.; Szkopek, T.; Martel, R. (24 de noviembre de 2013). "Dispersión Raman gigante a partir de colorantes agregados con J en el interior de nanotubos de carbono para la obtención de imágenes multiespectrales". Nature Photonics . 8 (1): 72–78. Bibcode :2014NaPho...8...72G. doi :10.1038/NPHOTON.2013.309. S2CID  120426939.
  32. ^ Li, Q.-Q.; Zhang, X.; Han, W.-P.; Lu, Y.; Shi, W.; Wu, J.-B.; Tan, P.-H. (27 de diciembre de 2014). "Espectroscopia Raman en los bordes del grafeno multicapa". Carbono . 85 : 221–224. arXiv : 1412.8049 . Código Bibliográfico :2014arXiv1412.8049L. doi :10.1016/j.carbon.2014.12.096. S2CID  96786498.
  33. ^ Wu, Jiang-Bin; Zhang, Xin; Ijäs, Mari; Han, Wen-Peng; Qiao, Xiao-Fen; Li, Xiao-Li; Jiang, De-Sheng; Ferrari, Andrea C.; Tan, Ping-Heng (10 de noviembre de 2014). "Espectroscopia Raman resonante de grafeno multicapa retorcido". Nature Communications . 5 : 5309. arXiv : 1408.6017 . Bibcode :2014NatCo...5.5309W. doi :10.1038/ncomms6309. PMID  25382099. S2CID  118661918.
  34. ^ Forestier, Alexis; Balima, Félix; Bousige, Colin; de Sousa Pinheiro, Jardínia; Fulcrand, Rémy; Kalbac, Martín; San-Miguel, Alfonso (28 de abril de 2020). "Desajuste de tensión y piezodopaje entre capas de grafeno" (PDF) . J. Física. Química. C.​ 124 (20): 11193. doi : 10.1021/acs.jpcc.0c01898. S2CID  219011027.
  35. ^ Sung, SH; Schnitzer, N.; Brown, L.; Park, J.; Hovden, R. (25 de junio de 2019). "Apilamiento, deformación y torsión en materiales 2D cuantificados por difracción de electrones 3D". Physical Review Materials . 3 (6): 064003. arXiv : 1905.11354 . Bibcode :2019PhRvM...3f4003S. doi :10.1103/PhysRevMaterials.3.064003. S2CID  166228311.
  36. ^ Sung, Suk Hyun; Goh, Yin Min; Kim, Phillip; Hovden, Robert (19 de diciembre de 2022). "Distorsiones periódicas torsionales de la red y difracción de materiales 2D retorcidos". Nature Communications . 7826 (1): 7826. arXiv : 2203.06510 . doi :10.1038/s41467-022-35477-x. PMC 9763474 . PMID  36535920. S2CID  247447730.