Un toque de oro y plata
Por primera vez, es posible producir capas cristalinas de metales preciosos que consisten en una sola capa atómica y que son semiconductores
Los metales se caracterizan normalmente por una buena conductividad eléctrica. Esto se aplica en particular al oro y la plata. Sin embargo, los investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart, junto con los socios de Pisa y Lund, han descubierto ahora que algunos metales preciosos pierden esta propiedad si son lo suficientemente delgados. El extremo de una capa de sólo un átomo de espesor se comporta como un semiconductor. Esto demuestra una vez más que los electrones se comportan de manera diferente en la capa bidimensional de un material que en las estructuras tridimensionales. Las nuevas propiedades podrían conducir potencialmente a aplicaciones, por ejemplo en microelectrónica y tecnología de sensores.
Sándwich con especia electrónica: La ilustración muestra una capa de oro monoatómico cristalino bajo el grafeno (antracita). La estructura electrónica de la capa de oro y el grafeno (verde) se muestra arriba. Los investigadores de Stuttgart Max Planck determinaron espectroscópicamente las propiedades electrónicas examinando la muestra con un haz de fotones (gris).
© Stiven Forti
Uno podría pensar que la hoja de oro, que tiene sólo 0,1 µm de espesor, es en realidad bastante delgada. Lejos de eso. En realidad puede ser varios cientos de veces más delgada. Por ejemplo, el equipo de investigación de Ulrich Starke y su ex-estudiante doctoral Stiven Forti han creado con éxito una capa de oro de un solo átomo de espesor. Oro bidimensional, por así decirlo.
Starke es jefe de la Instalación de Análisis de Interfaces en el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Stuttgart. Su equipo ha estado trabajando durante mucho tiempo en la frontera entre los materiales tridimensionales (voluminosos) y bidimensionales (planos). Los investigadores del estado sólido están interesados en esta transición porque está asociada con cambios en ciertas propiedades de los materiales. Esto ha sido demostrado previamente en el carbono bidimensional, o grafeno. Entre otras cosas, sus electrones son significativamente más móviles y permiten que la conductividad eléctrica aumente hasta 30 veces la del grafito tridimensional relacionado.
Los átomos de oro son empujados entre el grafeno y el carburo de silicio
Sin embargo, para muchos metales, producir capas de material de un solo átomo de espesor no es una tarea fácil. "Con los métodos clásicos de deposición, los átomos de oro, por ejemplo, se aglomerarían inmediatamente en cúmulos tridimensionales", explica Starke. Por lo tanto, su equipo está trabajando con un método diferente - la intercalación - en el que fueron pioneros hace unos 10 años. La intercalación significa literalmente deslizar algo en el medio. Y así es precisamente como funciona. Los investigadores empiezan con una oblea de carburo de silicio. Usando un proceso que desarrollaron ellos mismos, primero convierten su superficie en una capa de grafeno. "Si vaporizamos oro sublimado sobre esta disposición de carburo de silicio-grafeno en un alto vacío, los átomos de oro migran entre el carburo y el grafeno", explica Forti. El ex candidato a doctorado Max Planck está ahora investigando en el Centro de Innovación Nanotecnológica de Pisa. Aún no se entiende del todo cómo los átomos de oro gruesos llegan al espacio intersticial. Pero esto está claro: las temperaturas más altas favorecen el proceso.
El equipo también había aplicado la técnica de intercalación a otros elementos, incluyendo el germanio, el cobre y el gadolinio. Sin embargo, según Forti, el enfoque principal era la influencia en las propiedades del grafeno. En el caso del oro, sin embargo, se encontró por primera vez que los átomos intercalados se organizaban en una estructura bidimensional regular, periódicamente recurrente - cristalina - a lo largo de la superficie de carburo de silicio. "Si la intercalación se lleva a cabo a 600°C, la capa de grafeno impide que los átomos de oro se aglomeren para formar gotas", dice Forti sobre la función de la capa de carbono en la estructura en sándwich.
Una capa de oro que consiste en sólo dos capas atómicas conduce como un metal
La preparación exitosa de la capa de oro de un átomo de espesor fue sólo el primer paso. Posteriormente, los materiales extremadamente delgados y sus posibles características especiales se volvieron interesantes para los investigadores. Podían demostrar que la extremadamente delgada capa de oro desarrolla sus propias propiedades electrónicas y semiconductoras. Para comparar: la conductividad eléctrica del oro voluminoso (es decir, tridimensional) es casi tan buena como la del cobre. Debido a que las consideraciones teóricas pronostican un carácter metálico para el oro puro 2D, el hallazgo del semiconductor fue algo sorprendente. "Las interacciones entre los átomos de oro y el carburo de silicio o el carbono grafeno obviamente todavía juegan un papel aquí. Esto influye en los niveles de energía de los electrones", dice Starke.
Los semiconductores son materiales esenciales en la microelectrónica y otros campos. Por ejemplo, los elementos de conmutación electrónica como los diodos o los transistores se basan en ellos. El equipo de Starke puede prever algunas aplicaciones típicas de los semiconductores para el nuevo material 2D. Una segunda capa de átomos de oro vuelve a dar un carácter metálico - y por lo tanto influye en la conductividad eléctrica. "Variando la cantidad de oro sublimado, podemos controlar con precisión si se forman una o dos capas de oro", explica Forti.
Por lo tanto, sería concebible utilizar componentes con capas de oro alternadas de simple o doble atómica. El nuevo método de fabricación tendría que combinarse entonces adecuadamente con los métodos litográficos comunes de producción de chips. Por ejemplo, se podrían producir diodos significativamente más pequeños que los convencionales. Según Starke, los diferentes estados electrónicos del oro de una o dos capas también podrían utilizarse en los sensores ópticos.
Los efectos electrónicos también en la capa de grafeno
Otra idea de aplicación resulta de los efectos causados por el oro intercalado en la capa de grafeno adyacente, que aparentemente dependen del grosor del oro. "Una capa de oro de un átomo de grosor provoca un n-doping en el grafeno. Esto significa que obtenemos electrones como portadores de carga", dice Forti. En los lugares donde el oro tiene dos capas atómicas de grosor, ocurre exactamente lo contrario, p-doping. Allí, los electrones faltantes o los llamados "agujeros" cargados positivamente actúan como portadores de carga. El oro también mejora la interacción de los plasmones (es decir, las fluctuaciones en la densidad de los portadores de carga) con la radiación electromagnética. "De esta manera, se podría utilizar una disposición estructurada y alternada de n- y p-doping en el grafeno. Por ejemplo, como un conjunto de detectores de alta sensibilidad pero de alta resolución para la radiación terahertz como los que se utilizan en los ensayos de materiales, para los controles de seguridad en los aeropuertos o para la transmisión inalámbrica de datos", dice Starke.
El equipo de Starke ya ha dado el siguiente paso en la producción de capas bidimensionales de metales preciosos. También en un experimento de intercalación con plata, una capa de plata bidimensional estrictamente cristalina se formó entre el carburo de silicio y el grafeno. Y lo que es más: incluso este metal, que suele ser un conductor eléctrico aún mejor que el oro, se convierte en un semiconductor cuando se reduce a dos dimensiones. Los resultados iniciales indican que la energía necesaria para hacer que la capa de plata sea conductora de electricidad es probablemente mayor que la del oro bidimensional. "Las propiedades semiconductoras de un componente hecho de este material podrían por lo tanto ser térmicamente más estables que las del oro", dice Starke sobre las posibles consecuencias prácticas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Stiven Forti, Stefan Link, Alexander Stöhr, Yuran Niu, Alexei A. Zakharov, Camilla Coletti und Ulrich Starke; "Semiconductor to metal transition in two-dimensional gold and its van der Waals heterostack with graphene"; Nature Communications; 6 May 2020.
Philipp Rosenzweig und Ulrich Starke; "Large-area synthesis of a semiconducting silver monolayer via intercalation of epitaxial graphene"; Physical Review B; 20 May 2020.
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