Unión p-n-p con «grafeno molecular»

Se suele llamar «grafeno» a todo material que propague cuasipartículas de tipo fermión de Dirac sin masa, como el grafeno. Se llama «grafeno molecular» al material formado por moléculas colocadas sobre un sustrato plano con una estructura de tipo hexagonal que permite la propagación de fermiones de Dirac sin masa. En 2012 se publicó en Nature el primer «grafeno molecular», formado por moléculas de CO (monóxido de carbono) adsorbidas sobre un sustrato plano de Cu(111) (cobre). En estos materiales se puede modular el nivel de Fermi (el dopaje efectivo) controlando la densidad de las moléculas, produciendo materiales de tipo n (con un exceso de portadores) y de tipo p (con un defecto de portadores). Así se puede obtener una unión p-n-p similar a un transistor de unión bipolar. Y muchos otros dispositivos que aprovechen fases electrónicas topológicas de posible interés aplicado.

En el «grafeno molecular» la distancia entre los átomos de carbono (C) de las moléculas de CO es de 19.23 Å. Esta distancia se reduce a 17.8 Å en el material de tipo p y ha 20.4 Å en el material de tipo n; este cambio en la distancia interatómica (o intermolecular) equivale a un dopado del «grafeno molecular». El dispositivo p-n-p fabricado es de alta calidad, ya que la interfaz entre las regiones p y n presenta un cambio abrupto en tan solo 20.4 Å. La densidad de portadores de tipo «hueco» en el material de tipo p es de 1.41 × 1012 /cm² y de portadores de tipo «electrón» en el material de tipo n es de 1.23 × 1012 /cm². El gran inconveniente de estos materiales es que requieren temperaturas criogénicas (todos los experimentos se realizaron a 4.2 K).

No había hablado de este tema hasta ahora, pues hay tantos temas de los que hablar y tan poco tiempo para hacerlo… Aún así, recomiendo el artículo pionero de Kenjiro K. Gomes, …, Francisco Guinea, Hari C. Manoharan, “Designer Dirac fermions and topological phases in molecular graphene,” Nature 483: 306–310 (15 Mar 2012), doi: 10.1038/nature10941; y también Leticia Tarruell, Daniel Greif, …, Tilman Esslinger, “Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice,” Nature 483: 302–305 (15 Mar 2012), doi: 10.1038/nature10871; así como, Jonathan Simon, Markus Greiner, “A duo of graphene mimics,” Nature 483: 282–284 (15 Mar 2012), doi: 10.1038/483282a.

El «grafeno molecular» se fabrica usando un microscopio de efecto túnel para mover una a una cada molécula de CO hasta colocarla en una posición precisa sobre el sustrato. Como te puedes imaginar se trata de un proceso cercano a la creación de una obra de arte por un artista plástico; por ello es difícil de automatizar. Y por ello, más allá de la belleza intrínseca del dispositivo final obtenido, los prototipos de estos dispositivos son obras de arte.

A la izquierda en esta figura se muestran diferentes fases del proceso de «creación» (fabricación) del dispositivo que se muestra arriba a la derecha. Se puede disfrutar de un vídeo en la información suplementaria (MOV). La estructura hexagonal para la distribución de carga electrónica emula la del grafeno y por ello aparece una estructura de bandas que presenta conos de Dirac (como se muestra abajo a la derecha).

Esta figura muestra un cono de Dirac a lo largo de uno de los lados de un hexágono en el «grafeno molecular». La medida de la relación de dispersión de las cuasipartículas muestra un comportamiento lineal excelente. En la región del vértice no se ha podido medir el punto exacto donde se encuentra el cono de Dirac por las limitaciones en la resolución del instrumento de medida usado.

Una de las grandes ventajas de los materiales análogos al grafeno es que permiten ajustar sus propiedades más allá de lo que se puede hacer con el grafeno. Por ejemplo, se pueden introducir defectos aprovechando que la distancia entre las moléculas de CO es de 19.2 Å (como en esta figura a la izquierda). Así se puede controlar el pseudoespín de los fermiones de Dirac, así como lograr que adquieran una masa efectiva (o sea, que se curve su estructura de bandas). El parecido entre la celda del grafeno y el benceno sugiere la introducción de varios defectos que provoquen una distorsión de tipo Kekulé en el material. Se ha bautizado como «Mercedes» a la configuración que se muestra en esta figura a la derecha (la razón tras el nombre resultará obvia a casi todos). En este material se propagan fermiones de Dirac con una masa emergente de 0.1 ± 0.02 me, una décima parte de la masa del electrón (por cierto, en el Cu(111) las cuasipartículas de tipo electrón tienen una masa efectiva de 0.38 me).

Un campo magnético deforma la estructura reticular del grafeno y, viceversa, una deformación mecánica de dicha estructura equivale a un campo pseudomagnético (donde el pseudoespín de las cuasipartículas se comporta como el espín en un material magnético). En el «grafeno molecular» esta deformación mecánica se puede simular moviendo los átomos uno a uno para recolocarlos en una posición adecuada. Partiendo de la estructura hexagonal mostrada en figura de abajo, a la izquierda, se puede deformar la estructura emulando el efecto de un campo pseudomagnético, como se observa en las figuras de abajo hacia arriba, a la izquierda. Así se logra observar el efecto de campos pseudomagnéticos de B = 0, 15, 30, 45 y 60 T (teslas).  Así se pueden estudiar niveles de Landau y el efecto Hall cuántico usando fermiones de Dirac.

Las posibilidades que ofrece el «grafeno molecular» son realmente increíbles. Por cierto, el físico teórico español Francisco Guinea (según consta en el artículo) se limitó al análisis teórico; sin lugar a dudas, para un teórico disponer de un sistema tan versátil como el «grafeno molecular» es un enorme placer.



8 Comentarios

  1. “Se suele llamar «grafeno» a todo material que propague cuasipartículas de tipo fermión de Dirac sin masa, como el grafeno”
    ¿«Semimetal de Dirac», quizás?

  2. Quisiera que me informasen de estos dispositivos electronicos pnp, cuales son sus caracteristicas de frecuencia, potencia ,figura de ruido, dimensiones, etc. Y si no para que sirven, tenemos componentes electronicos pnp suficientemente caracterizados y utilizados.. Nos van a dar algo nuevo?.

    1. Me parece que te confundes, abiliojoven, no se trata de un transistor bipolar al uso. Se trata de prototipos de investigación fabricados a mano (literalmente, una manufactura). Pides información de estos dispositivos como si estuvieran en el mercado. Quizás nunca lleguen al mercado.

  3. Hola Francis.

    ¿Es posible que una IA se entrene para manipular los átomos con el microscopio de efecto túnel, y casi al final que un ingeniero finalize los detalles a pulso?, con esto crear un CPU o memoria de grafeno mediante tal método que sea parcialmente comercializable.

    Yo tengo la idea que hacer un hueco en el silicio de la CPU e insertar un caché L1 a base de grafeno de gran tamaño como 512-1024KiB o mas por núcleo ayudaría entre las propuestas a paliar el límite de la puerta de silicio a la pseudo-ley de moore, como dijo Walter de Heer, el grafeno reemplazará al silicio en aquello que no puede, sencillamente es buscar que coexistan.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 26 febrero, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Physics • Science
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