grafeno bicapa

El grafeno bicapa es un material que consta de dos capas de grafeno . Uno de los primeros informes sobre el grafeno bicapa fue en el artículo fundamental de Science de 2004 de Geim y colegas, ^{[ 1 ]} en el que describieron dispositivos "que contenían solo una, dos o tres capas atómicas".

El grafeno bicapa puede existir en la forma AB, o apilada en Bernal , ^{[ 2 ]} donde la mitad de los átomos se encuentran directamente sobre el centro de un hexágono en la lámina de grafeno inferior, y la otra mitad sobre un átomo, o, menos comúnmente, en la forma AA, en la que las capas están alineadas exactamente. ^{[ 3 ]} En el grafeno apilado en Bernal, son comunes los límites de macla; transición de apilamiento AB a BA. ^{[ 4 ]} Las capas retorcidas, donde una capa está rotada con respecto a la otra, también han sido ampliamente estudiadas.

Se han utilizado métodos de Monte Carlo cuántico para calcular las energías de enlace del grafeno bicapa apilado AA y AB, que son 11,5(9) y 17,7(9) meV por átomo, respectivamente. ^{[ 5 ]} Esto es consistente con la observación de que la estructura apilada AB es más estable que la estructura apilada AA.

El grafeno bicapa se puede fabricar mediante exfoliación de grafito ^{[ 6 ]} o mediante deposición química de vapor (CVD) ^{[ 7 ]} . En 2016, Rodney S. Ruoff y sus colegas demostraron que se podía producir grafeno bicapa monocristalino de gran tamaño mediante deposición química de vapor activada con oxígeno ^{[ 8 ]} . Más tarde, ese mismo año, un grupo coreano informó sobre la síntesis de grafeno bicapa apilado AB monocristalino a escala de oblea ^{[ 9 ].}

Al igual que el grafeno monocapa, el grafeno bicapa tiene una banda prohibida nula y, por lo tanto, se comporta como un semimetal. En 2007, los investigadores predijeron que se podría introducir una banda prohibida si se aplicaba un campo de desplazamiento eléctrico a las dos capas: una denominada banda prohibida sintonizable . ^{[ 10 ]} En 2009 se realizó una demostración experimental de una banda prohibida sintonizable en grafeno bicapa. ^{[ 6 ]} En 2015, los investigadores observaron canales de conducción de electrones balísticos unidimensionales en las paredes de dominio del grafeno bicapa. ^{[ 11 ]} Otro grupo demostró que la banda prohibida de las películas bicapa sobre carburo de silicio podía controlarse ajustando selectivamente la concentración de portadores. ^{[ 12 ]}

En 2014, los investigadores describieron la aparición de estados electrónicos complejos en el grafeno bicapa, en particular el efecto Hall cuántico fraccionario , y demostraron que este podía ser modulado mediante un campo eléctrico . ^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]} En 2017, se informó de la observación de un estado Hall cuántico fraccionario con denominador par en el grafeno bicapa. ^{[ 16 ]}

El grafeno bicapa mostró el potencial para generar un condensado de Bose-Einstein de excitones . ^{[ 17 ]} Los electrones y los huecos son fermiones , pero cuando forman un excitón, se convierten en bosones , lo que permite que ocurra la condensación de Bose-Einstein. Se ha demostrado teóricamente que los condensados ​​de excitones en sistemas bicapa transportan una supercorriente . ^{[ 18 ]}

Pablo Jarillo-Herrero del MIT y colegas de Harvard y del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales, Tsukuba, Japón , han informado del descubrimiento de superconductividad en grafeno bicapa con un ángulo de torsión de 1,1° entre las dos capas. El descubrimiento se anunció en Nature en marzo de 2018. ^{[ 19 ]} Los hallazgos confirmaron las predicciones hechas en 2011 por Allan MacDonald y Rafi Bistritzer de que la cantidad de energía que un electrón libre requeriría para atravesar por efecto túnel entre dos láminas de grafeno cambia radicalmente en este ángulo. ^{[ 20 ]} La bicapa de grafeno se preparó a partir de monocapas exfoliadas de grafeno, con la segunda capa rotada manualmente a un ángulo fijo con respecto a la primera capa. Una temperatura crítica de${\displaystyle T_{c}=1.7K}$Se observó con tales especímenes en el artículo original (aunque artículos más recientes informan temperaturas ligeramente más altas). ^{[ 21 ]}

El estudio de tales redes ha sido denominado " twistrónica " y se inspiró en tratamientos teóricos anteriores de ensamblajes en capas de grafeno. ^{[ 22 ]}

El grafeno bicapa puede utilizarse para construir transistores de efecto de campo ^{[ 23 ] [ 24 ]} o transistores de efecto de campo de túnel ^{[ 25 ]} , aprovechando la pequeña brecha de energía. Sin embargo, la brecha de energía es menor de 250 meV y, por lo tanto, requiere el uso de un voltaje de operación bajo ( < 250 mV ), que es demasiado pequeño para obtener un rendimiento razonable para un transistor de efecto de campo ^{[ 23 ]} , pero es muy adecuado para el funcionamiento de transistores de efecto de campo de túnel, que según la teoría de un artículo de 2009 pueden operar con un voltaje de operación de solo 100  mV ^{[ 25 ] .}

En 2016, los investigadores propusieron el uso de grafeno bicapa para aumentar el voltaje de salida de los transistores túnel (TT). Estos operan a un rango de voltaje operativo menor (150  mV) que los transistores de silicio (500  mV). La banda de energía del grafeno bicapa es diferente a la de la mayoría de los semiconductores, ya que los electrones alrededor de los bordes forman una singularidad de van Hove (de alta densidad) . Esto proporciona suficientes electrones para aumentar el flujo de corriente a través de la barrera de energía. Los transistores de grafeno bicapa utilizan dopaje "eléctrico" en lugar de "químico". ^{[ 26 ]}

En 2017, un grupo internacional de investigadores demostró que el grafeno bicapa podía actuar como un conductor mixto monofásico que presentaba una difusión de Li un orden de magnitud más rápida que en el grafito. ^{[ 27 ]} En combinación con la rápida conducción electrónica de las láminas de grafeno, este sistema ofrece conductividad iónica y electrónica dentro del mismo material sólido monofásico. Esto tiene importantes implicaciones para los dispositivos de almacenamiento de energía, como las baterías de iones de litio .

Investigadores de la Universidad de la Ciudad de Nueva York han demostrado que las láminas de grafeno bicapa sobre carburo de silicio se vuelven temporalmente más duras que el diamante al impactar con la punta de un microscopio de fuerza atómica . ^{[ 28 ]} Esto se atribuyó a una transición grafito-diamante, y el comportamiento pareció ser exclusivo del grafeno bicapa. Esto podría tener aplicaciones en blindajes personales.

Los procesos de hibridación modifican las propiedades intrínsecas del grafeno y/o inducen interfaces deficientes. En 2014 se anunció una ruta general para obtener grafeno no apilado mediante un crecimiento catalítico sencillo, dirigido por plantilla. El material resultante tiene una superficie específica de 1628 m² g⁻¹ , es conductor eléctrico y presenta una estructura mesoporosa . ^{[ 29 ]}

El material se fabrica con una plantilla de nanoflakes mesoporosos. Se depositan capas de grafeno sobre la plantilla. Los átomos de carbono se acumulan en los mesoporos, formando protuberancias que actúan como espaciadores para evitar el apilamiento. La densidad de protuberancias es aproximadamente5,8 × 10 ¹⁴  m ⁻² . El grafeno se deposita en ambos lados de las láminas. ^{[ 29 ]}

Durante la síntesis CVD, las protuberancias producen grafeno bicapa intrínsecamente no apilado después de la eliminación de las nanoflakes. La presencia de dichas protuberancias en la superficie puede debilitar las interacciones π-π entre las capas de grafeno y, por lo tanto, reducir el apilamiento. El grafeno bicapa muestra un área superficial específica de1628  m ² /g , un tamaño de poro que varía de 2 a 7  nm y un volumen total de poros de2,0  cm³ ^/ g . ^{[ 29 ]}

El uso de grafeno bicapa como material de cátodo para una batería de litio-azufre produjo capacidades reversibles de 1034 y 734 mAh/g a velocidades de descarga de 5 y 10 C, respectivamente. Después de 1000 ciclos , se mantuvieron  capacidades reversibles de aproximadamente 530 y 380 mAh/g a 5 y 10 C, con constantes de eficiencia coulómbica del 96 y 98 %, respectivamente. ^{[ 29 ]} 

 Se obtuvo una conductividad eléctrica de 438 S/cm. Incluso después de la infiltración de azufre, se mantuvo una conductividad eléctrica de 107 S cm/1 . La estructura porosa única del grafeno permitió el almacenamiento efectivo de azufre en el espacio interlaminar, lo que genera una conexión eficiente entre el azufre y el grafeno y evita la difusión de polisulfuros en el electrolito . ^{[ 29 ]}

La imagen Raman global hiperespectral ^{[ 30 ]} es una técnica precisa y rápida para caracterizar espacialmente la calidad del producto. Los modos vibracionales de un sistema lo caracterizan, proporcionando información sobre la estequiometría , la composición, la morfología , la tensión y el número de capas. El monitoreo de la intensidad de los picos G y D del grafeno (alrededor de 1580 y 1360 ^cm⁻¹  ) [ ^{31 ] [ 32 ] proporciona} información directa sobre el número de capas de la muestra.

Se ha demostrado que las dos capas de grafeno pueden soportar una tensión importante o un desajuste de dopaje ^{[ 33 ]} que en última instancia debería conducir a su exfoliación.

La determinación cuantitativa de los parámetros estructurales del grafeno bicapa, como la rugosidad de la superficie, los espaciamientos entre capas y dentro de las capas, el orden de apilamiento y la torsión entre capas, se puede obtener utilizando difracción de electrones 3D ^{[ 34 ] [ 35 ].}