Durante la última década, el grafeno semimetálico ha despertado un gran interés entre los ingenieros electrónicos debido a sus muchas propiedades y propiedades favorables. De hecho, su alta movilidad, flexibilidad y estabilidad de los electrones lo hacen particularmente deseable cuando se desarrolla la electrónica de próxima generación.
A pesar de sus propiedades favorables, una gran superficie grafeno tiene un intervalo de banda cero (es decir, el rango de energía en sólidos dentro del cual no pueden existir estados electrónicos). Esto significa que corriente eléctrica en el grafeno no se puede apagar por completo. Esta característica lo hace inadecuado para el desarrollo de muchos dispositivos electrónicos.
Los científicos de la Universidad de Tsinghua en China desarrollaron recientemente una estrategia de diseño que podría usarse para obtener una brecha más grande en el grafeno. Esta estrategia, presentada en un artículo publicado en Naturaleza Electrónica, implica el uso de un campo eléctrico para controlar las transiciones conductor-aislante en grafeno a microescala.
“Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha atraído una gran atención por su espesor de capa atómica única y fermiones Dirac de alta movilidad”, dijo Tech Xplore Jinsong Zhang, uno de los científicos del estudio. “Debido a estas características, el grafeno podría encontrar aplicaciones prometedoras en la electrónica de próxima generación, especialmente a medida que la tasa de mejora en la densidad y el rendimiento de la electrónica de silicio se acerca al límite a través del escalado dimensional. Sin embargo, el grafeno de gran superficie es un semi-metal sin bandgap ”.
Relación de corriente de encendido / apagado de grafeno convencional transistores de efecto de campo (FET) es de alrededor de 30 a temperatura ambiente, que es demasiado baja para aplicaciones de dispositivos lógicos. Para alterar la estructura de bandas del grafeno y ampliar su banda prohibida, Zhang y sus colegas iniciaron una reacción de hidrogenación, una reacción electroquímica que convierte de manera reversible el grafeno prístino en grafeno hidrogenado altamente aislante con una gran brecha de transporte.
“Nuestros FET de grafeno electroquímicos pueden activarse / desactivarse bajo el control de los voltajes de puerta aplicados, lo que muestra un nuevo modelo para la aplicación futura de la electrónica basada en grafeno”, dijo Zhang.
Los canales de grafeno en los FET electroquímicos desarrollados por los científicos se sumergieron en un electrolito líquido orgánico con iones de hidrógeno disociados (H+). Cuando los científicos aplicaron un voltaje de puerta positivo (Vsal) entre el electrodo de puerta (lámina de Pt) y el grafeno, el campo eléctrico provocó que H.+ los iones se acumulan en la superficie superior del FET.
“Cuándo Vsal es mayor que el potencial de hidrogenación, la red de grafeno está fuertemente activada, lo que desencadena un enlace químico entre H+ C iones y átomos, lo que cambia la hibridación de los enlaces CC de sp2 a sp3, abriendo una gran brecha en la estructura electrónica ”, explicó Zhang.
La principal ventaja de los FET basados en grafeno desarrollados por este equipo de científicos es que utilizan campos eléctricos muy versátiles para controlar las reacciones de hidrogenación reversibles y cambiar la corriente de la fuente de drenaje. Además, Zhang y sus colegas introdujeron un nuevo electrolito de iones de hidrógeno que contiene más H.+ iones que también son más reactivos con el grafeno en comparación con los electrolitos producidos por la hidrólisis del agua residual en líquido iónico o aire húmedo.
“Utilizando el control de campo eléctrico, demostramos la transición entre conductor y aislante en grafeno en una microescala de hasta un millón de ciclos de conmutación”, dijo Zhang. “La resistencia de la superficie del grafeno completamente hidrogenado exhibe un límite inferior de 200 GW / m2, lo que conduce a una relación de corriente de encendido / apagado gigantesca de más de 108 en FET de grafeno a temperatura ambiente. “
Zhang y sus colegas encontraron que los FET de grafeno electroquímicos que crearon superaron significativamente a dispositivos similares en el pasado y tenían mejores relaciones de encendido / apagado, resistencia al ciclismo y tiempos de conmutación. Su trabajo podría ayudar en el desarrollo de nuevos componentes electrónicos basados en grafeno y técnicas de hidrogenación inducidas por campos eléctricos para ajustar de manera reversible los enlaces atómicos y las estructuras de bandas de varios cristales 2D.
Este estudio reciente podría inspirar a otros investigadores a utilizar estrategias similares para buscar e identificar nuevos materiales con las propiedades deseadas. El tiempo de respuesta de los FET basados en grafeno producidos por estos investigadores se encuentra actualmente en una escala de microsegundos. Sin embargo, en un estudio posterior, a Zhang y sus colegas les gustaría acortar este tiempo de respuesta para que sus dispositivos puedan usarse en una gama más amplia de aplicaciones.
“En el futuro, nos centraremos en mejorar el tiempo de respuesta optimizando la configuración del dispositivo, por ejemplo, reduciendo la distancia entre la puerta y el electrodo fuente, reduciendo el ancho del canal de grafeno y encontrando un mejor electrolito con un H más alto.+ conductividad iónica “, dijo Zhang.” Para hacer que nuestros dispositivos sean más útiles en un circuito de grafeno integrado, desarrollaremos un electrolito sólido (o gel) con un alto H+ conductividad iónica y, en última instancia, reducir el tamaño de nuestros dispositivos a micrómetros ”.
Modulación de la gran brecha de transporte en el grafeno mediante hidrogenación reversible controlada por campo eléctrico. Naturaleza Electrónica(2021). DOI: 10.1038 / s41928-021-00548-2
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