Correlaciones de electrones en nanoestructuras de carbono
Comportamiento de los electrones en los nanoribbones de grafeno elucidado
Se necesitan nuevos materiales para reducir aún más el tamaño de los componentes electrónicos y, por lo tanto, hacer que dispositivos como los ordenadores portátiles y los teléfonos inteligentes sean más rápidos y eficientes. Las pequeñas nanoestructuras del nuevo material grafeno son prometedoras a este respecto. El grafeno consiste en una sola capa de átomos de carbono y, entre otras cosas, tiene una conductividad eléctrica muy alta. Sin embargo, el confinamiento espacial extremo en tales nanoestructuras influye fuertemente en sus propiedades electrónicas. Un equipo dirigido por el profesor Michael Bonitz del Instituto de Física Teórica y Astrofísica (ITAP) de la Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) ha conseguido simular el comportamiento detallado de los electrones en estas nanoestructuras especiales utilizando un elaborado modelo computacional. Este conocimiento es crucial para el uso potencial de las nanoestructuras de grafeno en dispositivos electrónicos.
El nanoribón de grafeno (centro) consiste en una sola capa de átomos de carbono de nido de abeja. La cinta tiene sólo unos pocos átomos de carbono de ancho y tiene diferentes propiedades eléctricas dependiendo de su forma y anchura. La densidad local de los electrones aumenta en los bordes, como muestran las áreas de color rojo oscuro en las cajas.
© Jan-Philip Joost, AG Bonitz
Simulación precisa de las propiedades de los electrones en nanoestructuras
El año pasado, dos equipos de investigación tuvieron éxito independientemente el uno del otro en la fabricación de nanoribones de grafeno estrechos y atómicamente precisos y en la medición de sus energías de electrones. El ancho de los nanoribbones varía de forma controlada con precisión. Cada sección de los nanoribbones tiene sus propios estados de energía con su propia estructura electrónica. "Sin embargo, los resultados de las mediciones no podían ser reproducidos completamente por modelos teóricos anteriores", dice Bonitz, que dirige la Cátedra de Física Estadística del ITAP. Junto con su estudiante de doctorado Jan-Philip Joost y su colega danés Antti-Pekka Jauho de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), desarrollaron un modelo mejorado que condujo a un excelente acuerdo con los experimentos. Los físicos presentan sus resultados teóricos en el número actual de la revista Nano Letters.
La base para las nuevas y más precisas simulaciones por ordenador fue la suposición de que las desviaciones entre el experimento y los modelos anteriores eran causadas por los detalles de la repulsión mutua de los electrones. Aunque esta interacción de Coulomb también existe en los metales, y de hecho fue incluida en simulaciones anteriores de manera aproximada, el efecto es mucho mayor en los pequeños nanoribbones de grafeno, y requiere un análisis detallado. Los electrones son expulsados de sus estados energéticos originales y tienen que `buscar' otros lugares, como explica Bonitz: "Pudimos demostrar que los efectos de correlación debidos a la interacción de Coulomb de los electrones tienen una influencia dramática en el espectro energético local".
La forma de los nanoribbones determina sus propiedades electrónicas
El cómo los valores de energía permisibles de los electrones dependen de la longitud, anchura y forma de las nanoestructuras ha sido aclarado por el equipo investigando muchos de estos nanoribbones. "El espectro de energía también cambia cuando se modifica la geometría de los nanoribbones, su anchura y forma", añade Joost. "Por primera vez, nuestros nuevos datos permiten hacer predicciones precisas sobre cómo se puede controlar el espectro de energía variando específicamente la forma de los nanoribbones", dice Jauho, de la DTU de Copenhague. Los investigadores esperan que estas predicciones se prueben ahora también experimentalmente y conduzcan al desarrollo de nuevas nanoestructuras. Estos sistemas pueden contribuir de forma importante a la miniaturización de la electrónica.
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