Una sustancia tan cotidiana como la sal se puede utilizar para proteger capas de grafeno y desacoplarlas de un sustrato metálico. Luego se pueder retirar la sal para recuperar el grafeno intacto, un material con aplicaciones en electrónica y otros campos. El experimento se ha realizado usando la luz del sincrotrón ALBA, cerca de Barcelona.
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| Los mapas de fotoemisión de ángulo resuelto (ARPES) muestran la evolución de la estructura electrónica del grafeno cuando se irradia con luz de sincrotrón. / Sincrotrón ALBA |
Desde la primera vez que se produjo, jugando con una cinta adhesiva en un laboratorio, el grafeno ha tenido un impacto revolucionario en la ciencia de materiales,
así como en la física fundamental y aplicada. Este material
bidimensional, un conductor de una capa atómica de carbono con una
movilidad electrónica extremadamente alta y una gran resistencia
mecánica, ha permitido estudiar efectos cuánticos macroscópicos y podría
acelerar una nueva generación de dispositivos electrónicos pequeños y
rápidos.
Una sustancia tan cotidiana la sal, cloruro de sodio, se puede utilizar para proteger capas de grafeno y desacoplarlas de un sustrato metálico
Los científicos tienen puesto su foco en las propiedades electrónicas
de este material de carbono, que aunque son muy prometedoras, todavía
deben ser controladas de manera más eficiente para que pueda ser
considerado como nuevo material en la industria de los semiconductores.
Ahora, investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), en colaboración con el Sincrotrón ALBA, el Donostia International Physics Center (DIPC) y el Centro de Física de Materiales (CSIC / UPV-EHU)
han demostrado que una sustancia habitual como la sal (NaCl, cloruro de
sodio) se puede utilizar para proteger capas de grafeno y desacoplarlas
de un sustrato metálico. Además, es posible eliminar la sal fácilmente
después para recuperar la capa de grafeno intacta, convirtiendo este
asequible ingrediente en facilitador de un material de alto rendimiento.
El estudio, publicado en la revista 2D Materials, demuestra una forma sencilla de intercalar sodio bajo el grafeno, que también es reversible
y permite recuperar el grafeno, situándonos un paso más cerca de
aquella capa atómica de carbono que podría sustituir al silicio en los
futuros dispositivos electrónicos. Además, "este método podría extrapolarse a otros metales alcalinos y fomentar estudios muy interesantes en baterías avanzadas", indica Irene Palacio, investigadora del ICMM-CSIC.
De la cocina al laboratorio de ciencia de materiales
El
trabajo experimental se ha llevado a cabo en el sincrotrón ALBA, usando
el microscopio electrónico de fotoemisión (PEEM) de una de sus líneas
de luz (CIRCE), utilizado tanto para el proceso de disociación como para caracterizar la muestra.
Los
investigadores empezaron a partir de capas de grafeno preparadas sobre
un sustrato de iridio metálico. Aunque la interacción inicial del
grafeno con el iridio es más débil que con otros sustratos, ésta es
suficiente para degradar sus propiedades electrónicas. Se depositó una
fina capa de NaCl sobre el grafeno para probarla como potencial
protección barata y fácil de quitar contra las condiciones ambientales.
Los experimentos también incluyeron un proceso de recocido que permite recuperar el grafeno inicial, sin daños y de nuevo acoplado al sustrato
Sin embargo, cuando el NaCl se expuso a la luz de sincrotrón, el
cloro se desabsorbió mientras que el sodio se intercaló bajo el grafeno,
desacoplándolo del sustrato de iridio y creando lo que los científicos
llaman 'un dopaje n eficaz', es decir, transformándolo en un semiconductor.
El proceso de intercalación se monitorizó estructuralmente
mediante la difracción de electrones de baja energía (LEED) y
químicamente con la espectroscopia de fotoemisión. Con la primera, se
vio cómo la superestructura moiré, creada por la interacción del grafeno
con el iridio, desapareció. Con la segunda, se observó la transición
del sodio desde un cristal de sal al sodio metálico, es decir, del NaCl
al Na.
Finalmente, mediante fotoemisión de ángulo resuelto
(ARPES), se determinó la modificación de la estructura electrónica del
grafeno debido al desacoplamiento del sustrato, es decir, su dopaje n.
Los experimentos también incluyeron un proceso de recocido, a 823 K,
que permite recuperar el grafeno inicial, sin daños y de nuevo acoplado
al sustrato de iridio.
El microscopio PEEM "ofreció la combinación
perfecta de las diferentes técnicas de caracterización de
superficies necesarias para este estudio ", explica Michael Foerster,
científico de línea de luz de CIRCE, quien concluye: "Este es un ejemplo
interesante donde la luz de sincrotrón es más que una simple
herramienta pasiva sinó que también es el detonante de la
fotodisociación de la sal".
Referencia bibliográfica:
I Palacio, L Aballe, M Foerster, D G de Oteyza, M García-Hernández y J A Martín-Gago.
"Reversible Graphene decoupling by NaCl photo dissociation". 2D Materials, Volume 6, Number 2 (2019)
Fuente: Sincrotrón ALBA
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