El grafeno es el material más estudiado del mundo en la actualidad: laboratorios de muchos países se afanan por estudiar sus propiedades. Pero, ¿qué es y qué lo hace tan interesante?
Se trata de una capa aislada de grafito de un átomo de grosor. Se caracteriza por que los átomos de carbono de su estructura forman una red de panal de abeja (figura 1a). Cada uno de estos átomos contribuye con un electrón al mar de electrones situado por encima y por debajo del plano que forman los átomos. Este mar es el responsable de las excepcionales propiedades conductoras del grafeno (Figura 1b).
(Figura 1) Estructura del grafeno a escala atómica. a) Red de panal de abeja que forman los átomos de carbono (bolas grises) en el grafeno. b) Esquema del mar de electrones que se forma por encima dle plano de átomos de carbono. Este mar de electrones domina la conductividad eléctrica del grafeno.
Actualmente, el grafeno se encuentra bajo una intensa investigación en muchas áreas de la ciencia (química, física, etc) debido a que presenta unas propiedades muy interesantes con potenciales aplicaciones. Por ejemplo, se trata del material más duro conocido hasta ahora (unas 1000 veces más duro que el acero), es transparente, flexible, buen conductor del calor, conduce la electricidad bajo determinadas condiciones…
En particular, existe un enorme interés en la comunidad científica por desarrollar métodos que permitan crear estructuras de grafeno de tamaño reducido (incluso de nanómetros), ya que esto podría llevar al descubrimiento de nuevas propiedades que sólo se manifiestan a estos tamaños. Incluso se podría llegar a utilizar este nano-grafeno en los dispositivos electrónicos del futuro.
Hidrogenación del grafeno
Al tratarse de un material no magnético y poco reactivo, pocas moléculas o átomos se adhieren a él. El hidrógeno es uno de estos átomos. Al depositar hidrógeno atómico sobre la superficie del grafeno, éste queda adsorbido de manera aleatoria por toda la superficie. Una vez ahí, podemos manipular el hidrógeno átomo a átomo (mover cada átomo de un lado a otro por la superficie del grafeno, quitarlos de la superficie, colocarlos, etc).
¿Cómo podemos realizar estas manipulaciones a escalas tan pequeñas? Una manera consiste en utilizar un microscopio de efecto túnel (por sus siglas en inglés, STM). Se trata de un tipo especial de microscopio basado en el efecto cuántico de túnel. En mecánica cuántica, cuando una partícula se aproxima a una barrera de potencial (o, dicho de otras palabras, a un muro), hay una cierta probabilidad de que esa partícula atraviese el muro y aparezca al otro lado (ver figura 2). En nuestro mundo macroscópico, un caso análogo sería el de una persona que se acerca corriendo a una pared y consigue atravesarla. Evidentemente, la probabilidad de que esto ocurra es extremadamente baja a nuestras escalas, y la de acabar con un chichón, muy alta. Sin embargo, a escalas muy pequeñas, este efecto es muy habitual.
El STM consiste en situar una punta muy afilada, acabada en unos pocos átomos, a una pequeña distancia de una muestra. Aquí, la punta y la muestra son los dos lados del muro, y los electrones son los que van a atravesar ese muro (ver figura 2b). En este caso, el “muro” es el pequeño espacio vacío entre punta y muestra. Aplicamos un voltaje entre ambos lados este espacio vacío y ¡voilá! Tenemos una corriente túnel fluyendo entre ambos. Esta corriente va a ser mayor o menor dependiendo de la distancia entre punta y muestra. Permitiendo el movimiento de la punta hacia arriba y abajo a la vez que se mueve por la superficie de manera que vaya “buscando” un valor de corriente que hayamos fijado previamente, podremos ir tomando imágenes con resolución atómica (ver figura 2c).
(Figura 2) Efecto túnel y funcionamiento de un STM.
Dibujando en grafeno con átomos de hidrógeno
Aplicando ciertos valores de voltaje y corriente, la punta puede “ordenar” los átomos de hidrógeno en el grafeno bajo su posición (ver figura 3), permitiendo dibujar figuras sobre el grafeno (cuadrados, triángulos, etc.) Podemos ver la figura creada en imágenes de STM. La ventaja de utilizar átomos de hidrógeno para dibujar es que podemos también borrar las figuras, y volver a escribir otras en el mismo lugar.
Figura 3. Creación de estructuras en grafeno. a) Esquema del movimiento de la punta de STM a medida que ordena el hidrógeno (representado con bolas moradas). b,c,d) Proceso de creación y eliminación de un triángulo. Inicialmente, los átomos de hidrógeno están en posiciones aleatorias; ordenamos los átomos formando un triángulo, y, finalmente, lo borramos con la punta. e-h) Distintas figuras en grafeno realizadas con esta técnica.
Vale, podemos dibujar, pero… ¿para qué sirve esto?
Una vez tenemos las estructuras, queremos saber si las barreras de átomos de H funcionan como “colocar paredes” en el grafeno a efectos de conductividad eléctrica, y ver qué propiedades presenta este grafeno.
Para ello, podemos ver si dentro de estas estructuras cerradas quedan atrapados los electrones (ver figura 4). De ser así, mediante STM, veríamos el mar de electrones como ondas estacionarias dentro de estas paredes. Es decir, como los modos de oscilación de una cuerda fija en sus bordes. El caso más sencillo para ver esto es dibujar una nanocinta de grafeno. A distintos voltajes, veremos solo los electrones que tengan ciertas energías concretas dentro de la estructura.
Figura 4. Comportamiento de los electrones confinados. a) A la izquierda, modos de vibración de una cuerda cuyos cabos están fijos. L es la longitud de la cuerda. A la derecha, cómo veríamos los modos de vibración de un electrón encerrado dentro una caja. b) Esquema de unos electrones encerrados entre dos paredes. Se pueden mover libremente en la dirección paralela a los muros, pero si se encuentran con ellos, chocan. c) Imagen de STM de una nanocinta de 25 nm de anchura. d,e,f) Imágenes simuladas de cómo se deberían ver los electrones confinados a tres distintas energías. g,h,i) Imágenes de STM mostrando estos electrones. j) Promedio de cada imagen de STM, en el que se observa el parecido con el modelo teórico mostrado en 5 a).
Estos resultados demuestran que las barreras de hidrógeno actúan como paredes impenetrables para los electrones del grafeno. Hasta ahora hemos visto cómo atrapar los electrones en una dirección, sin embargo, éstos todavía pueden “escapar” en la dirección por la que está abierta la cinta.
¿Qué ocurre si cerramos la cinta, creando un cuadrado? En este caso, los electrones que se muevan en cualquier dirección no podrán escapar y habremos creado un punto cuántico de grafeno. Como resultado, utilizando el STM, veremos patrones de interferencia entre las ondas de los electrones del grafeno (ver figura 5).
Figura 5. Confinamiento de electrones en grafeno . a) Imagen de STM de un cuadrado de 27 x 27 nm2. b-f) Imágenes simuladas de cómo se deberían ver los electrones atrapados a distintas energías. g-k) Imágenes de STM mostrando estos electrones.
En resumen, en este trabajo hemos desarrollado una técnica que permite litografiar grafeno con una precisión de hasta 2 nm y hemos visto que el hidrógeno, ordenado de esta forma, es capaz de confinar a los electrones.
Por primera vez, hemos podido crear un grafeno de tamaño nanométrico con cualquier forma y posición sobre una muestra. Esto abre las puertas a un nuevo camino de investigación: se podrían crear complejos circuitos electrónicos, o complicar la forma de estas estructuras, dando lugar a propiedades muy interesantes, hasta ahora desconocidas.
AUTOR
Eva Cortés Del Río
“Primer premio en el XV Certamen Universitario Arquímedes por el trabajo Confinamiento cuántico de electrones en grafeno” realizado por Eva Cortés Del Río de la Universidad Autónoma de Madrid y tutorizado por Iván Brihuega.
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