Caracterización de un dispositivo de grafeno de bicapa retorcido de ángulo grande (LATBG). Crédito: Nature Communications (2025). Doi: 10.1038/s41467-025-62492-5
El grafeno, una sola hoja de átomos de carbono dispuestos en una red de panal, es conocido por su fuerza, flexibilidad y conductividad excepcionales. Sin embargo, a pesar de mantener el récord mundial de la movilidad de electrones a la temperatura ambiente, el rendimiento del grafeno a temperaturas criogénicas se ha mantenido por debajo del de los mejores sistemas de semiconductores basados en Arsenuro de Gallium (GAA), que se han beneficiado de muchas décadas de refinamiento.
Un obstáculo clave es el trastorno electrónico. En dispositivos prácticos, el grafeno es altamente sensible a los campos eléctricos callejeros de los defectos cargados en los materiales circundantes. Estas imperfecciones crean fluctuaciones espaciales en la densidad de carga, conocidas como charcos de electrones, que dispersan electrones y limitan la movilidad. Este trastorno ha impedido que el grafeno realice su máximo potencial como un sistema electrónico ultra limpio.
Ahora, en dos estudios paralelos, los investigadores de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) y la Universidad de Manchester (Reino Unido) informan estrategias distintas que finalmente empujan el grafeno más allá de este punto de referencia de larga data. Los resultados establecieron nuevos registros para la movilidad de electrones, la coincidencia y, en algunos casos, superando los GaAs en el transporte y la movilidad cuántica, y permitiendo la observación de los efectos cuánticos en condiciones sin precedentes.
“La movilidad es una medida de la facilidad con que los electrones pueden moverse a través de un material cuando se aplica un campo eléctrico. La alta movilidad significa que los electrones pueden viajar más rápido y más libremente, lo cual es crucial para construir dispositivos electrónicos más rápidos y más eficientes en la energía”, dijo el profesor asistente Alexey Berdyugin del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Colegio de Diseño e Ingeniería (CDE), NUS. “Los materiales con alta movilidad son especialmente importantes para la computación avanzada, la detección y las tecnologías cuánticas”. El profesor Berdyugin también es científico del Departamento de Física de la Facultad de Ciencia de NUS.
“Esto abre oportunidades no solo para investigaciones fundamentales, sino también para aplicaciones de alto rendimiento donde los materiales ultra limpios son críticos”, agregó.
Grafeno retorcido y detección de Coulomb sintonizable
En el primer estudio, publicado en Comunicaciones de la naturaleza El 11 de agosto de 2025 y liderado por el Proful Berdyugin, junto con colaboradores del Reino Unido, España y Japón, los investigadores desarrollaron un método para proteger el grafeno del trastorno ambiental mediante el uso de capas de grafeno adicionales como pantallas electrostáticas ultra delgadas. Lo lograron apilando dos capas de grafeno con un gran ángulo de giro relativo (entre 10 ° y 30 °), asegurando así que las capas se desacoplaran electrónicamente mientras se separan por menos de un nanómetro.
Una capa podría doparse deliberadamente para actuar como una pantalla metálica, suprimiendo los campos eléctricos fluctuantes de las impurezas cargadas que de otro modo interrumpen el movimiento de los electrones.
Como resultado, la homogeneidad de la carga se redujo a solo unos pocos electrones por micrómetro cuadrado, un orden de magnitud mejor que los dispositivos de última generación. La alta calidad de la capa de grafeno permitió el inicio de la cuantización de Landau, que es un sello distintivo del comportamiento cuántico en materiales bidimensionales, que se observará en campos magnéticos de solo 5–6 mili-tesla. En la mayoría de los dispositivos de grafeno, se requieren varios cientos de campos más fuertes.
Debido a que la técnica minimiza la dispersión de las fluctuaciones de campo eléctrico de largo alcance, la movilidad de transporte excedió los 20 millones de cm²/vs, y la movilidad cuántica superó la de los mejores gases de electrones bidimensionales GaAs.
“Graphene finalmente ha alcanzado e incluso superó a los semiconductores tradicionales en algunos aspectos críticos”, agregó Ian Babich, un doctorado. Estudiante en CDE y el Instituto de Materiales Inteligentes Funcionales en NUS y primer autor del estudio. “Es un momento histórico para los dispositivos de grafeno, y permite una mayor exploración de delicados fenómenos cuánticos que anteriormente estaban fuera de alcance”.
Efecto profundo de la detección de proximidad en la homogeneidad de la carga. Crédito: Naturaleza (2025). Doi: 10.1038/s41586-025-09386-0
Proximidad de detección metálica para las movilidades discográficos
El segundo estudio, publicado en Naturaleza el 20 de agosto de 2025 y dirigido por el premio Nobel Sir Andre Geim y el Dr. Daniil Domaretskiy en la Universidad de Manchester, con el Asistente del Prof Berdyugin como autor co-correspondiente, adoptó un enfoque diferente. En lugar de usar otra capa de grafeno, el equipo colocó grafeno a menos de un nanómetro lejos de una puerta de grafito metálico, separada por un dieléctrico ultrafino hecho de solo tres a cuatro capas atómicas de nitruro de boro hexagonal.
Esta proximidad ultraen cerrada creó una detección de Coulomb excepcionalmente fuerte, reduciendo drásticamente el trastorno y redujo la falta de homogeneidad de carga a alrededor de 3×10 ° Cm⁻², equivalente a aproximadamente un portador de carga adicional por cada 100 millones de átomos de carbono en el punto de neutralidad de carga.
Con este nivel de pureza, los dispositivos alcanzaron las movilidades de la sala superiores a 60 millones de cm²/vs, superando los sistemas más avanzados basados en GaAs. Quantum Hall Plateaus, que normalmente requiere campos magnéticos de varios tesla, apareció por debajo de 5 mili-tesla. Las oscilaciones de Shubnikov-De Haas, otra firma cuántica, eran visibles en solo 1 mili-tesla, comparable en resistencia al campo magnético prístino de la tierra.
Rutas complementarias al grafeno ultra limpio
Los dos estudios proporcionan soluciones complementarias al mismo problema de larga data: cómo proteger el grafeno de los defectos cargados que siempre están presentes en sus materiales circundantes, que limitan su rendimiento electrónico.
“Por supuesto, cada enfoque tiene sus fortalezas”, dijo el profesor Berdyugin. “Los dispositivos de grafeno de ángulo de giro grande proporcionan una detección altamente ajustable y controlable.
“Por otro lado, la detección de proximidad con grafito separado por un espaciador dieléctrico delgado nos permite sondear las propiedades de una capa de grafeno prístina directamente. De esta manera, no hay una señal adicional de la capa de detección, y uno puede observar absolutamente hermosos que la meseta cuántica ya en unas pocas millas. Juntos. Juntos, esos métodos que expanden nuestra herramienta experimental en una manera que beneficiará el campo de dos dimensiones.
Los avances de los investigadores podrían acelerar el progreso en áreas que van desde la metrología cuántica, donde el efecto de la sala cuántica respalda los estándares de resistencia internacional, hasta tecnologías de detección ultra sensibles que dependen del comportamiento electrónico prístino.
Las movilidades excepcionales logradas también podrían avanzar en la electrónica de alta velocidad de próxima generación, donde el bajo trastorno es crítico para el rendimiento y la eficiencia energética. Además, los métodos proporcionan plataformas experimentales más limpias para explorar los estados de electrones correlacionados relevantes para las tecnologías de información cuántica emergentes.
Mirando hacia el futuro, los equipos tienen como objetivo adaptar estos métodos a heteroestructuras más complejas basadas en grafeno, incluidos los materiales cuánticos Moiré que albergan efectos intrigantes de muchos cuerpos.
“Estos resultados cambian lo que pensamos que era posible para el grafeno”, dijo Babich. “El rendimiento que ahora podemos lograr significa que hay un espacio completamente nuevo de física para explorar”.
Más información: I. Babich et al, cuantificación de Milli-Tesla habilitada por el detección de Coulomb sintonizable en grafeno retorcido de gran ángulo, comunicaciones de la naturaleza (2025). Dos: 10.1038/s41467-025-62492-5
Daniil Domaretskiy et al, la detección de proximidad mejora enormemente la calidad electrónica del grafeno, naturaleza (2025). Dos: 10.1038/s41586-025-09386-0
Proporcionado por la Universidad Nacional de Singapur
Cita: Dos nuevos métodos empujan la calidad electrónica del grafeno más allá de los semiconductores tradicionales (2025, 28 de agosto) recuperado el 28 de agosto de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-08-methods-graphene-electronic- Quality-tradicional.html
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