El grafé és el material més estudiat del món en l’actualitat: laboratoris de molts països s’afanyen per estudiar-ne les propietats. Però, què és i què el fa tan interessant?
Es tracta d’una capa aïllada de grafit d’un àtom de gruix. Es caracteritza perquè els àtoms de carboni de la seua estructura formen una xarxa de bresca (figura 1a). Cada un d’aquests àtoms contribueix amb un electró al mar d’electrons situat per damunt i per davall del pla que formen els àtoms. Aquest mar és el responsable de les excepcionals propietats conductores del grafé (1b).
(Figura 1) Estructura del grafé a escala atòmica. a) Xarxa de bresca que formen els àtoms de carboni (boles grises) en el grafé. b) Esquema del mar d’electrons que es forma per damunt del pla d’àtoms de carboni. Aquest mar d’electrons domina la conductivitat elèctrica en el grafé.
Actualment, el grafé es troba sota una intensa investigació en moltes àrees de la ciència (química, física, etc.) pel fet que presenta unes propietats molt interessants amb potencials aplicacions. Per exemple, es tracta del material més dur conegut fins ara (unes 1.000 vegades més dur que l’acer), és transparent, flexible, bon conductor de la calor, condueix l’electricitat sota determinades condicions…
En particular, hi ha un enorme interés en la comunitat científica per desenvolupar mètodes que permeten crear estructures de grafé de mida reduïda (fins i tot de nanòmetres), ja que açò podria portar al descobriment de noves propietats que només es manifesten a aquestes mides. Fins i tot es podria arribar a utilitzar aquest nanografé en els dispositius electrònics del futur.
Hidrogenació del grafé
En tractar-se d’un material no magnètic i poc reactiu, poques molècules o àtoms s’hi adhereixen. L’hidrogen és un d’aquests àtoms. En depositar hidrogen atòmic sobre la superfície del grafé, aquest queda adsorbit de manera aleatòria per tota la superfície. Una vegada ací, podem manipular l’hidrogen àtom a àtom (moure cada àtom d’un lloc a un altre per la superfície del grafé, llevar-los de la superfície, col·locar-los, etc.).
Com podem realitzar aquestes manipulacions a escales tan reduïdes? Una manera consisteix a utilitzar un microscopi d’efecte túnel (per les seues sigles en anglés, STM). Es tracta d’un tipus especial de microscopi basat en l’efecte quàntic de túnel. En mecànica quàntica, quan una partícula s’aproxima a una barrera de potencial (o, dit d’altres paraules, a un mur), hi ha una certa probabilitat que aquesta partícula travesse el mur i aparega a l’altre costat (figura 2). En el nostre món macroscòpic, un cas anàleg seria el d’una persona que s’acosta corrent a una paret i aconsegueix travessar-la. Evidentment, la probabilitat que açò ocórrega és extremadament baixa a les nostres escales, i la d’acabar amb un bony, molt alta. No obstant això, a escales molt reduïdes, aquest efecte és molt habitual.
Figura 2. Efecte túnel i funcionament d’un STM. a) Segons la física clàssica, una partícula que s’aproxima a una barrera de potencial (o mur) no pot travessar aquesta barrera. b) Segons la física quàntica, hi ha una certa probabilitat que la partícula travesse la barrera. c) Aplicació de l’efecte túnel en microscopia. L’espai buit entre una punta molt esmolada i una mostra actua com a barrera per als electrons. Aplicant un voltatge entre aquests dos, establim un corrent túnel que es pot mesurar. d) Esquema d’una punta d’STM escanejant una mostra de grafé. A mesura que la punta es mou, va descrivint un moviment cap amunt i cap avall.
El STM consisteix a situar una punta molt esmolada, acabada en uns pocs àtoms, a una curta distància d’una mostra. Ací, la punta i la mostra són els dos costats del mur, i els electrons són els que travessaran aquest mur (figura 2b). En aquest cas, el “mur” és el reduït espai buit entre punta i mostra. Apliquem un voltatge entre els dos costats d’aquest espai buit, i voilà! Tenim un corrent túnel fluint entre els dos. Aquest corrent serà major o menor depenent de la distància entre punta i mostra. Permetent el moviment de la punta cap amunt i cap avall al mateix temps que es mou per la superfície de manera que vaja “buscant” un valor de corrent que hàgem fixat prèviament, podrem anar prenent imatges amb resolució atòmica (2c).
Dibuixant en grafé amb àtoms d’hidrogen
Aplicant certs valors de voltatge i corrent, la punta pot “ordenar” els àtoms d’hidrogen en el grafé davall la seua posició (figura 3), permetent dibuixar figures sobre el grafé (quadrats, triangles, etc.). Podem veure la figura creada en imatges de STM. L’avantatge d’utilitzar àtoms d’hidrogen per a dibuixar és que podem també esborrar les figures i tornar a escriure’n d’altres al mateix lloc.
(Figura 3) Creació d’estructures en grafé. a) Esquema del moviment de la punta de STM a mesura que ordena l’hidrogen (representat amb boles morades). b, c, d) Procés de creació i eliminació d’un triangle. Inicialment, els àtoms d’hidrogen estan en posicions aleatòries; ordenem els àtoms formant un triangle, i, finalment, l’esborrem amb la punta. e-h) Diverses figures en grafé realitzades amb aquesta tècnica.
D’acord, podem dibuixar, però… per a què serveix això?
Una vegada tenim les estructures, volem saber si les barreres d’àtoms de H funcionen com “col·locar parets” en el grafé als efectes de conductivitat elèctrica, i veure quines propietats presenta aquest grafé.
Per a això, podem veure si dins d’aquestes estructures tancades queden atrapats els electrons (figura 4). Si és així, mitjançant STM, veuríem el mar d’electrons com a ones estacionàries dins d’aquestes parets. És a dir, com els modes d’oscil·lació d’una corda fixa en les seues vores. El cas més senzill per a veure açò és dibuixar una nanocinta de grafé. A distints voltatges, veurem només els electrons que tinguen certes energies concretes dins de l’estructura.
Figura 4. Comportament dels electrons confinats. a) A l’esquerra, modes de vibració d’una corda els caps de la qual estan fixos. L és la longitud de la corda. A la dreta, com veuríem els modes de vibració d’un electró tancat dins d’una caixa. b) Esquema d’uns electrons tancats entre dues parets. Es poden moure lliurement en la direcció paral·lela als murs, però si es troben amb ells, xoquen. c) Imatge d’STM d’una nanocinta de 25 nm d’amplària. d, e, f) Imatges simulades de com s’haurien de veure els electrons confinats a tres distintes energies. g, h, i) Imatges d’STM mostrant aquests electrons. j) Mitjana de cada imatge d’STM, on s’observa lasemblança amb el model.
Aquests resultats demostren que les barreres d’hidrogen actuen com a parets impenetrables per als electrons del grafé. Fins ara hem vist com atrapar els electrons en una direcció; no obstant això, aquests encara poden “escapar” en la direcció per la qual està oberta la cinta.
Què passa si tanquem la cinta, creant un quadrat? En aquest cas, els electrons que es moguen en qualsevol direcció no podran escapar i haurem creat un punt quàntic de grafé. Com a resultat, utilitzant l’STM, veurem patrons d’interferència entre les ones dels electrons del grafé (figura 5).
Figura 5. Confinament d’electrons en grafé. a) Imatge d’STM d’un quadrat de 27 x 27 nm2. b-f) Imatges simulades de com s’haurien de veure els electrons atrapats a distintes energies. g-k) Imatges d’STM mostrant aquests electrons.
En resum, en aquest treball hem desenvolupat una tècnica que permet litografiar grafé amb una precisió de fins a 2 nm, i hem vist que l’hidrogen, ordenat d’aquesta manera, és capaç de confinar els electrons.
Per primera vegada, hem pogut crear un grafé de mida nanomètrica amb qualsevol forma i posició sobre una mostra. Açò obri les portes a un nou camí d’investigació: es podrien crear complexos circuits electrònics, o complicar la forma d’aquestes estructures, donant lloc a propietats molt interessants, fins ara desconegudes.
AUTOR
Eva Cortés Del Río
“Primer premi en el XV Certamen Universitari Arquímedes pel treball Confinament quàntic d’electrons en grafè” realitzat per Eva Cortés Del Rio de la Universitat Autònoma de Madrid i tutoritzat per Iván Brihuega.
+INFO CERTAMEN ARQUÍMEDES
No comments yet.