«Materiales con propiedades ajustables»

Conseguir diseñar «materiales con propiedades ajustables». Los materiales cuánticos, como los superconductores, el grafeno o los aislantes topológicos, se han posicionado a la cabeza de multitud de proyectos de investigación en los últimos años debido a su utilidad para el desarrollo de sistemas electrónicos de sectores como la computación, las comunicaciones o la seguridad. Dentro de ellos, uno de los más llamativos por sus características son las superredes de moiré de grafeno que se obtienen al apilar cristales de grafeno y nitruro de boro hexagonal.

Estas superredes tienen un gran potencial tecnológico. «El grafeno ya es de por sí un material extraordinario por sus propiedades electrónicas. Pero cuando se combina con otros cristales bidimensionales, como el nitruro de boro hexagonal, aparecen propiedades nuevas que no existen en los materiales por separado y que pueden controlarse mediante el ángulo de giro. En este sentido, el patrón de moiré permite modificar la forma en que se mueven los electrones, generar nuevas bandas electrónicas y abrir pequeñas brechas de energía», explica José M. Caridad, investigador del Centro de Investigación en Luz y Materia Estructuradas (LUMES) de la Univer-sidad de Salamanca.

Desde el punto de vista cien-tífico, estas cualidades ofrecen una plataforma controlada pa-ra entender mejor cómo se comportan los electrones en mate-riales cuánticos complejos, mientras que desde el punto de vis-ta tecnológico resultan muy úti-les en cuanto al diseño de sensores y detectores sensibles en rangos del espectro electromagnético como las microondas o el infrarrojo.

Partiendo de esta base, el equipo del LUMES se marcó como objetivo estudiar las propiedades electrónicas de superredes de moiré de grafeno utilizando una técnica optoelectrónica basada en espectroscopía de fotocorriente en el rango de terahercios. Gracias a esto han podido revelar propiedades electrónicas desconocidas de estas superredes, algo que podría contribuir a avanzar hacia una ingeniería más precisa de materiales cuánticos al poder modificar su comportamiento para aplicaciones concretas.

«En nuestro grupo trabajamos con heteroestructuras formadas al apilar distintos materiales bidimensionales. Estos sistemas permiten construir estructuras artificiales capa a capa, combinando diferentes materiales con propiedades muy dispares entre sí. Sin embargo, en los materiales bidimensionales aparece además un grado de libertad especial, ya que no solo importa qué materiales se apilan, sino también cómo se apilan. En particular, es muy importante el ángulo de giro relativo entre los cristales. Cuando dos materiales se colocan con un ángulo determinado entre sus redes cristalinas, aparece un patrón periódico conocido como patrón de moiré. Ese patrón permite modular las propiedades electrónicas del sistema y hace que puedan aparecer comportamientos nuevos, que no existen en cada material por separado», añade.

Así, en este trabajo han utilizado luz en el rango de los THz para estudiar cómo se comportan dispositivos basados en superredes de moiré creadas al apilar grafeno y nitruro de boro con un ángulo controlado e inferior a 1º entre sus redes cristalinas. Al iluminarlos, miden la fotocorriente generada en el dispositivo y la relacionan con información sobre su estructura electrónica y el ángulo entre materiales. Esta técnica les permite acceder a las minibandas electrónicas y detectar pequeñas brechas de energía que son difíciles de observar mediante métodos convencionales.

«La iniciativa surge de la sinergia entre nuestras líneas de investigación y de la posibilidad de aplicar esa complementariedad al estudio de sistemas bidimensionales complejos, como las superredes de moiré. Estos sistemas se han convertido en una de las plataformas más interesantes de la física de materiales porque permiten modificar las propiedades electrónicas de un material sin cambiar su composición química. En muchos casos, basta con controlar cómo se apilan las capas atómicas entre sí. Sin embargo, precisamente por esa riqueza y complejidad, muchas de sus propiedades son difíciles de medir con técnicas convencionales», incide Juan Antonio Delgado, investigador del LUMES.

De cara a llegar a revelar y cuantificar los detalles de la estructura electrónica de las superredes de moiré de grafeno han trabajado en colaboración con investigadores de la Universidad de Oviedo, CENTERA (Polonia), School of Physical Sciences (Irlanda), University of Chinese Academy of Sciences (China), NIMS (Japón) y la Universidad de Groningen (Países Bajos).

Juntos comenzaron el proyecto por la preparación y fabricación de los dispositivos, controlando la calidad de los materiales, el número de capas, la limpieza de las interfaces y la alineación entre capas durante el proceso de apilamiento, de cara a procesar las estructuras para definir los contactos eléctricos y la geometría final de los dispositivos.

Posteriormente, realizan una caracterización eléctrica. «Esta etapa nos permite comprobar que las muestras tienen las propiedades esperadas de una superred de moiré de grafeno y que presentan la calidad necesaria para realizar medidas más avanzadas». Dichas tareas fueron seguidas por la caracterización optoelectrónica mediante radiación de terahercios, por la cual iluminan los dispositivos, varían los parámetros eléctricos y ópticos, y miden la fotocorriente generada para obtener información sobre su estructura electrónica.

Para finalizar, conectaron las señales observadas experimentalmente con modelos teóricos capaces de describir las propiedades cuánticas del sistema, un trabajo gracias al cual han demostrado que la técnica funciona y que permite acceder a información muy valiosa sobre las superredes de moiré de grafeno.

De cara al futuro van a ampliar el alcance de la técnica y aplicarla a otros sistemas complejos basados en materiales bidimensionales. «Las superredes de moiré no se limitan al grafeno y al nitruro de boro hexagonal; existen muchas otras combinaciones de materiales bidimensionales que pueden dar lugar a propiedades electrónicas muy distintas».

En este sentido, inciden en que «sería interesante estudiar sistemas como el grafeno bicapa rotado, en el que pequeños cambios en el ángulo entre capas pueden modificar de forma muy intensa la estructura electrónica y dar lugar a fenómenos como estados aislantes, superconductividad o fases electrónicas correlacionadas. En este tipo de sistemas, la espectroscopía de fotocorriente en THz podría ayudar a revelar detalles sutiles de la estructura de bandas que no siempre pueden resolverse mediante técnicas eléctricas u ópticas convencionales».

«Estas propiedades permiten avanzar hacia una ingeniería más precisa de materiales cuánticos»

«Gracias a este estudio hemos observado que la espectroscopía de fotocorriente en terahercios permite detectar con gran sensibilidad características muy sutiles de la estructura electrónica de las superredes de moiré de grafeno. Hemos identificado señales asociadas a las minibandas electrónicas generadas por el patrón de moiré y hemos podido observar pequeñas brechas de energía miles de veces menores que las asociadas a la luz visible. También hemos visto que la respuesta optoelectrónica del material cambia al modificar la densidad de carga. Esto nos permite mapear cómo evolucionan las propiedades electrónicas del dispositivo y detectar regiones especialmente relevantes», apunta el investigador del Centro de Investigación en Luz y Materia Estructuradas (LUMES) de la USAL, José Caridad.

Estos resultados indican que patrón de moiré no solo modifica la estructura electrónica del material, sino que también «puede potenciar su respuesta optoelectrónica en determinadas condiciones. En otras palabras, la técnica no solo nos permite ‘mejor’ la estructura de bandas, sino también identificar regiones donde el dispositivo responde con mayor sensibilidad a la radiación incidente», remarca por su parte Juan Antonio Delgado, perteneciente también al LUMES.

«Estas propiedades permiten avanzar hacia una ingeniería más precisa de materiales cuánticos. En lugar de depender únicamente de los materiales disponibles en la naturaleza, podemos modificar su comportamiento controlando cómo se apilan las capas atómicas entre sí. En el caso de las superredes de moiré, pequeños cambios en la alineación entre capas pueden producir grandes cambios en la estructura electrónica».

«Eso abre la puerta a diseñar materiales con propiedades ajustables para aplicaciones concretas que, desde el punto de vista tecnológico, pueden ser útiles para futuros detectores optoelectrónicos, especialmente en el rango de los terahercios. La posibilidad de desarrollar detectores sensibles, rápidos y de bajo ruido es muy atractiva para distintos ámbitos, desde las comunicaciones inalámbricas de nueva generación hasta la imagen avanzada, la seguridad o la caracterización de materiales con alta precisión», concluyen.