El transporte de electrones en el grafeno bicapa muestra una pronunciada dependencia de los estados marginales y de un mecanismo de transporte no local, según un estudio reciente dirigido por el profesor Gil-Ho Lee y Ph.D. candidato Hyeon-Woo Jeong del Departamento de Física de POSTECH, en colaboración con el Dr. Kenji Watanabe y el Dr. Takashi Taniguchi del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales (NIMS) de Japón. Los hallazgos fueron publicados en la revista internacional de nanotecnología. Nano letras.
El grafeno bicapa, que comprende dos capas de grafeno apiladas verticalmente, puede explotar campos eléctricos aplicados externamente para modular su banda prohibida electrónica, una propiedad esencial para el transporte de electrones. Esta característica distintiva ha llamado considerable la atención por su posible papel en la «valleytronics», un paradigma emergente para el procesamiento de datos de próxima generación. Al aprovechar el «valle», un estado cuántico en la estructura energética de un electrón que funciona como una unidad de almacenamiento de datos discreta, la Valleytronics permite un manejo de datos más rápido y eficiente que la electrónica convencional o la espintrónica. Con su banda prohibida sintonizable, el grafeno bicapa se erige como una plataforma fundamental para la investigación avanzada de Valleytronics y la innovación de dispositivos.
Un concepto central en la Valleytronics es el ‘Efecto Valley Hall (VHE)’, que describe cómo el flujo de electrones se canaliza selectivamente a través de estados de energía discretos, conocidos como «valles», dentro de un material determinado. En consecuencia, surge un fenómeno notable llamado «resistencia no local», que introduce una resistencia mensurable en regiones que carecen de flujo de corriente directa, incluso en ausencia de vías de conducción.
Si bien gran parte de la literatura actual considera la resistencia no local como prueba definitiva del efecto Valley Hall (VHE), algunos investigadores postulan que las impurezas del borde del dispositivo o factores externos (como los procesos de fabricación) también pueden producir las señales observadas, dejando el debate sobre los orígenes de VHE sin resolver.
Para determinar la fuente definitiva de resistencia no local en el grafeno bicapa, el equipo de investigación conjunto POSCO-NIMS fabricó un dispositivo de grafeno de doble puerta, que permite un control preciso de la banda prohibida. Posteriormente compararon las características eléctricas de los prístinos bordes de grafeno formados naturalmente con los procesados artificialmente mediante grabado de iones reactivos.
El hallazgo reveló que la resistencia no local en los bordes formados naturalmente se ajustaba a las expectativas teóricas, mientras que los bordes procesados por grabado exhibieron una resistencia no local que excedía esos valores en dos órdenes de magnitud. Esta discrepancia indica que el procedimiento de grabado introdujo vías conductoras extrañas no relacionadas con el efecto Valley Hall, lo que explica por qué se había observado una banda prohibida reducida en mediciones anteriores de grafeno bicapa.
«El proceso de grabado, un paso vital en la fabricación de dispositivos, no ha recibido suficiente escrutinio, particularmente en lo que respecta a su impacto en el transporte no local», comentó Hyeon-Woo Jeong, primer autor del artículo. «Nuestros hallazgos subrayan la necesidad de reexaminar estas consideraciones y ofrecer información crucial para avanzar en el diseño y desarrollo de dispositivos Valleytronics».
Esta investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF), el Ministerio de Ciencia y TIC, el Instituto de Planificación y Evaluación de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (IITP), la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR), el Instituto de Basic Science (IBS), la Samsung Science & Technology Foundation, Samsung Electronics Co., Ltd., la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS KAKENHI) y la World Premier International Research Center Initiative (WPI).
