Cerdanyola del Vallès, 4 d'abril de 2019. Des del primer cop que es va produir tot jugant amb una cinta adhesiva en un laboratori, el grafè ha tingut un impacte revolucionari en la ciència dels materials, així com en la física fonamental i aplicada. Aquest material bidimensional, un conductor d'una capa atòmica de carboni amb una mobilitat electrònica extremadament alta i una gran resistència mecànica, ha permès estudiar efectes quàntics macroscòpics i, com consideren els experts, podria accelerar una nova generació de dispositius electrònics petits i ràpids.
El treball, publicat recentment a la revista 2D Materials, el lidera un equip de l'Institut de Ciència de Materials de Madrid (ICMM-CSIC), en col·laboració amb el Sincrotró ALBA, el Donostia International Physics Center (DIPC) i el Centro de Física de Materiales (CSIC / UPV-EHU). El focus són les propietats electròniques del grafè, que, tot i que són molt prometedores, encara han de ser controlades de manera més eficient, especialment pel que fa al dopatge electrònic , per tal que pugui ser considerat com a nou material en la indústria dels semiconductors.
L'estudi demostra una forma senzilla d'intercalar sodi sota el grafè, que també és reversible i permet recuperar el grafè, situant-nos un pas més a prop d'aquella capa atòmica de carboni que podria substituir el silici en futurs dispositius electrònics. A més, "aquest mètode podria extrapolar-se a altres metalls alcalins i fomentar estudis molt interessants en bateries avançades", afegeix la Irene Palacio del ICMM-CSIC.
De la cuina al laboratori de ciència de materials
Els experiments realitzats al Sincrot´ro ALBA, al microscopi electrònic de fotoemissió (PEEM) de la línia de llum CIRCE, van començar a partir de capes de grafè preparades sobre un substrat d'iridi metàl·lic. Tot i que la interacció inicial del grafè amb l'iridi és més feble que amb altres substrats, encara és suficient per degradar les seves propietats electròniques. Es va dipositar una fina capa de NaCl sobre el grafè per provar-la com a potencial protecció contra les condicions ambientals barata i fàcil de treure. No obstant això, quan el NaCl s'exposa a la llum de sincrotró, el clor es desabsorbeix mentre que el sodi s'intercala sota el grafè, desacoblant-lo del substrat d'iridi i creant un dopatge n eficaç, és a dir, transformant-lo en un semiconductor.
El procés d'intercalació es va monitorar estructuralment mitjançant la difracció d'electrons (LEED) i químicament amb l'espectroscòpia de fotoemissió. Amb la primera (Fig. 1), es va veure com la superestructura moiré, creada per la interacció del grafè amb l'iridi, va desaparèixer. Amb la segona (Fig. 2), es va observar la transició del sodi des d'un cristall de sal al sodi metàl·lic, és a dir, del NaCl al Na. Finalment, mitjançant la fotoemissió d'angle resolt (ARPES), es va determinar la modificació de l'estructura electrònica del grafè a causa del desacoblament del substrat, és a dir, el seu dopatge n (Fig. 3).
Els experiments també van incloure un procés final de recuit, a 823 K, que permet recuperar el grafè inicial, sense danys i de nou acoblat al substrat d'iridi.
El microscopi PEEM de la línia de llum CIRCE de l'ALBA "va oferir la combinació perfecta de les diferents tècniques de caracterització de superfícies necessàries per a aquest estudi", explica Michael Foerster, científic de línia de llum de CIRCE. "Aquest és un exemple interessant on la radiació de sincrotró és més que una simple eina passiva, i també és el detonant de la fotodissociació del NaCl", conclou Michael.
A l'esquerra, Fig. 1: patrons de difracció d'electrons durant la fotodissociació de NaCl i la intercalació de Na, de NaCl / Gr / Ir (111) -> Gr / Na / Ir (111) -> Gr / Ir (111 ). A la dreta, Fig. 2: Evolució dels nivells centrals de Cl 2p i Na 2p d'una mostra de NaCl / Gr / Ir (111) durant el mesurament de XPS com a conseqüència de la irradiació amb radiació sincrotró.
Fig. 3: Mapes d'energia constant ARPES que mostren l'evolució de l'estructura electrònica del sistema NaCl / Gr / Ir (111) quan s'irradia amb radiació sincrotró.
