Cerdanyola del Vallès, 4 de abril de 2019. 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, como consideran los expertos, podría acelerar una nueva generación de dispositivos electrónicos pequeños y rápidos.
El trabajo, publicado recientemente en la revista 2D Materials, lo lidera un equipo 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). El foco son las propiedades electrónicas del grafeno, 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.
El estudio 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", añade Irene Palacio, investigadora del ICMM-CSIC.
De la cocina al laboratorio de ciencia de materiales
Los experimentos realizados en el Sincrotrón ALBA, en el microscopio electrónico de fotoemisión (PEEM) de la línea de luz CIRCE, 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. 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 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 (Fig. 1), se vio cómo la superestructura moiré, creada por la interacción del grafeno con el iridio, desapareció. Con la segunda (Fig. 2), 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 (Fig. 3).
Los experimentos también incluyeron un proceso final de recocido, a 823 K, que permite recuperar el grafeno inicial, sin daños y de nuevo acoplado al sustrato de iridio.
El microscopio PEEM de la línea de luz CIRCE del ALBA "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. "Este es un ejemplo interesante donde la radiación de sincrotrón es más que una simple herramienta pasiva sinó que también es el detonante de la fotodisociación del NaCl", continúa Michael.
A la izquierda, Fig. 1: patrones de difracción de electrones durante la fotodisociación de NaCl y la intercalación de Na, de NaCl / Gr / Ir (111) -> Gr / Na / Ir (111) -> Gr / Ir (111). A la derecha, Fig. 2: Evolución de los niveles centrales de Cl 2p y Na 2p de una muestra de NaCl / Gr / Ir (111) durante la medición de XPS como consecuencia de la irradiación con radiación sincrotrón.
Fig. 3: Mapas de energía constante ARPES que muestran la evolución de la estructura electrónica del sistema NaCl / Gr / Ir (111) cuando se irradia con radiación de sincrotrón.
