Agregar calcio al grafeno crea un superconductor extremadamente prometedor, pero ¿a dónde va el calcio?

Agregar calcio a una estructura compuesta de grafeno-sustrato crea un superconductor de alta temperatura de transición (Tc).

En un nuevo estudio, un equipo dirigido por Australia ha confirmado por primera vez lo que realmente les sucede a esos átomos de calcio: sorprendiendo a todos, el calcio va debajo de la hoja de grafeno superior y una hoja de ‘amortiguación’ inferior, ‘flotando’ el grafeno en un lecho de átomos de calcio.

El grafeno superconductor inyectado con calcio es una gran promesa para la electrónica de bajo consumo y la electrónica transparente.

ESTUDIANDO EL GRAFENO DOPADO CON CALCIO: QUITARSE EL EDREDÓN

Las propiedades del grafeno se pueden ajustar mediante la inyección de otro material (un proceso conocido como «intercalación») ya sea debajo del grafeno o entre dos láminas de grafeno.

Esta inyección de átomos o moléculas extraños altera las propiedades electrónicas del grafeno aumentando su conductancia, disminuyendo las interacciones con el sustrato o ambas cosas.

La inyección de calcio en el grafito crea un material compuesto (grafito intercalado con calcio, CaC6) con una temperatura de transición superconductora (Tc) relativamente «alta». En este caso, los átomos de calcio residen finalmente entre las láminas de grafeno.

Inyectar calcio en grafeno sobre un sustrato de carburo de silicio también crea un superconductor de alta Tc, y siempre pensamos que sabíamos a dónde iba el calcio en este caso también …

El grafeno sobre carburo de silicio tiene dos capas de átomos de carbono: una capa de grafeno encima de otra ‘capa amortiguadora’: una capa de carbono (de estructura similar al grafeno) que se forma entre el grafeno y el sustrato de carburo de silicio durante la síntesis, y es no conductor debido a que está parcialmente adherido a la superficie del sustrato.

«Imagínese que el carburo de silicio es como un colchón con una sábana ajustada (la capa amortiguadora adherida a él) y una sábana plana (el grafeno)», explica el autor principal Jimmy Kotsakidis.

La sabiduría convencional sostenía que el calcio debería inyectarse entre las dos capas de carbono (entre dos hojas), similar a la inyección entre las capas de grafeno en el grafito. Sorprendentemente, el equipo dirigido por la Universidad de Monash descubrió que cuando se inyectan, la ubicación de destino final de los átomos de calcio se encuentra entre la capa amortiguadora y el sustrato de carburo de silicio subyacente (¡entre la sábana ajustable y el colchón!).

«Fue una gran sorpresa para nosotros cuando nos dimos cuenta de que el calcio se estaba adhiriendo a la superficie de silicio del sustrato, realmente iba en contra de lo que pensamos que sucedería», explica Kotsakidis.

Tras la inyección, el calcio rompe los enlaces entre la capa amortiguadora y la superficie del sustrato, lo que hace que la capa amortiguadora ‘flote’ sobre el sustrato, creando una nueva estructura de grafeno bicapa casi independiente (Ca-QFSBLG).

Este resultado no fue anticipado, con extensos estudios previos que no consideraron la intercalación del calcio debajo de la capa tampón. El estudio resuelve así la confusión y la controversia de larga data sobre la posición del calcio intercalado.

Fuente: ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies