Schermatura di prossimità migliora l’elettronica del grafene
Una nuova ricerca pubblicata su Nature dimostra come la schermatura di prossimità possa ridurre drasticamente il disordine elettrostatico e potenziare le prestazioni elettroniche del grafene. Grazie a un substrato conduttivo opportunamente dopato e a uno strato isolante di nitruro di boro esagonale (hBN), gli scienziati sono riusciti a ottenere mobilità elevatissime e minore variabilità delle cariche residue, aprendo la strada a dispositivi a quantum limit e applicazioni tecnologiche avanzate.
Contesto e sfide del grafene
Il grafene, con la sua struttura monodimensionale di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, offre una mobilità elettronica tra le più alte mai riscontrate. Tuttavia, la presenza di impurità cariche e la formazione di “puddle” di carica limitano le prestazioni reali. Questi difetti di carica generano scattering coulombiano e una distribuzione disomogenea di portatori che riduce coerenza e velocità di trasporto.
Principio della schermatura di prossimità
Per contrastare il disordine a lungo raggio il team di ricerca ha introdotto un elettrodo di screening posto a poche decine di nanometri dal foglio di grafene, separato mediante hBN. Questo elettrodo, realizzato con grafite o semiconduttori a elevata densità di portatori, agisce da schermo per i campi elettrici generati da impurità presenti nei substrati tradizionali.
Configurazione sperimentale
- Struttura a sandwich: hBN/Grafene/hBN con sottostante elettrodo conduttivo.
- Distanza di separazione ottimizzata (20–40 nm) per garantire efficacia dello schermo.
- Controllo della densità di doping e della tensione applicata all’elettrodo di screening.
- Misure di trasporto magneto-elettrico a temperature variabili (da 300 K fino a pochi K).
Risultati chiave
Le misure hanno evidenziato:
- Riduzione di oltre un ordine di grandezza del disordine coulombiano.
- Mobilità elettronica superiore a 106 cm2/V·s a 4 K.
- Stato di fluttuazione quantistica e comparsa di effetti come il quantum Hall frazionario a campi più bassi rispetto ai dispositivi tradizionali.
- Stabilità del punto di Dirac e maggiore uniformità della densità di carica.
Implicazioni tecnologiche
La tecnica di schermatura di prossimità non solo migliora i parametri fondamentali del grafene, ma apre scenari per l’integrazione in circuiti ad alte prestazioni, sensori ultrasensibili e piattaforme per l’elettronica quantistica. Applicata ad altri materiali bidimensionali, potrebbe rivoluzionare i transistor a effetto di campo e i dispositivi optoelettronici basati su van der Waals.
Conclusioni e prospettive
Questa scoperta rappresenta un significativo passo avanti nella gestione del disordine nei materiali bidimensionali. La capacità di schermare efficacemente le impurità elettrostatiche tramite un elettrodo in prossimità del grafene definisce un nuovo standard per la qualità elettronica e stimola ulteriori ricerche su eterostrutture 2D ibride e dispositivi quantistici ad alte prestazioni.