Heteroestructuras de van der Waals basadas en grafeno

Dibujo20130724 Building van der Waals heterostructures

André K. Geim, Premio Nobel de Física por el grafeno, nos habla en Nature de las heteroestructuras de van der Waals, formadas por capas de un sólo átomo de grosor encajadas unas encima de otras como piezas de LEGO (las heteroestructuras convencionales se forman por capas cuyo grosor es de muchos átomos). Fabricar las heteroestructuras de van der Waals hace pocos años parecía imposible, pero ahora hay muchos grupos de investigación en el mundo que las estudian. Sus inusuales propiedades dan lugar a nuevos fenómenos físicos que podrían tener múltiples aplicaciones. Los que tengan acceso a Nature disfrutarán con el artículo A. K. Geim, I. V. Grigorieva, “Van der Waals heterostructures,” Nature 499: 419–425, 25 Jul 2013. Ya hablé de ellas en este blog en “Un curioso déjà vu: La mariposa de Hofstadter observada en Nature y en Science,” 26 Jun 2013.

Dibujo20130724 State-of-the-art van der Waals structures and devices

Nos cuenta Geim que se publican unos diez mil artículos científicos sobre el grafeno al año, pero pocos de ellos se centran en el grafeno en exclusiva, la mayoría lo combina con otros materiales. Las heteroestructuras se forman combinando varias capas de materiales muy delgadas y ahora está de moda que el grafeno sea una de esas capas. Por ejemplo, se puede colocar una capa de grafeno encima de una capa de mica, y repetir la secuencia varias veces. Las heteroestructuras de van der Waals son muy interesantes porque son similares a los cupratos (óxidos de cobre) superconductores a alta temperatura. El grafeno quizás acabe formando parte de futuros superconductores artificiales fabricados capa a capa. Pero lo más interesante de las heteroestructuras de van der Waals son las nuevas propiedades que no han sido observadas en materiales naturales de estructura similar.

Dibujo20130724 library current 2d materials

Esta tabla muestra los materiales conocidos a día de hoy que pueden formar cristales 2D a temperatura ambiente. El grafeno es el más conocido (monocapas de grafito), pero también han sido muy estudiados el nitruro de boro hexagonal (hBN), y el disulfuro de molibdeno (MoS2), materiales muy usados como lubricantes sólidos por su alta estabilidad térmica y química. También se usan mucho el disulfuro de tungsteno 2D (WS2), diselenuro de tungsteno (WSE2) y el diseleniuro de molibdeno (Mose2), que son química, estructural y electrónicamente similares a MoS2. Además de varios derivados del grafeno.

Fabricar a escala masiva heteroestructuras de van der Waals ya no es una utopía. El enfoque más viable para la producción a escala industrial parece ser el crecimiento de monocapas individuales sobre soportes catalíticos, el aislamiento de capas 2D y su posterior apilado. Este método parece escalable. Habrá que esperar a los próximos años para ver cómo avanza esta tecnología, pero el futuro, sin lugar a dudas, es muy prometedor.

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