Un equipo español ha obtenido láminas de espesor nanométrico de germanio, un material que hasta ahora se pensaba que no era posible delaminar debido a su estructura cristalina
En un trabajo reciente, investigadores del Centro de Física de la Materia Condensada (IFIMAC) de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), y del instituto IMDEA Nanociencia, en colaboración con el Instituto de Ciencia Molecular (ICMol) de la Universidad de Valencia y la Universidad Complutense de Madrid, han demostrado que la técnica de molienda por vía húmeda puede utilizarse con éxito con cristales de germanio para producir nanoláminas de germanio, una nueva estructura bidimensional ultraestable con propiedades electrónicas muy atractivas.
“Se trata de un proceso que ya hemos escalado a la producción de gramos y que sólo requiere una mezcla de cristales de germanio, isopropanol y agua, y lo que es más importante, no necesita la adición de otros tensoactivos que, en muchos casos, dan lugar a productos difíciles de manipular”, destacan los autores.
Además, estas nanoláminas de germanio se pueden redispersar fácilmente utilizando un mezclador de cizalla, dando lugar a suspensiones muy estables incluso en condiciones ambientales y durante varios meses.
“Las nanoláminas de germanio así formadas poseen una alta cristalinidad, no tienen productos secundarios ni ninguna oxidación significativa”, detallan los autores. “Sorprendentemente —señalan— los cálculos teóricos predijeron un gap electrónico, que es una de las principales características a tener en cuenta en un material semiconductor para su uso en electrónica. Hemos podido corroborar experimentalmente que el gap depende del grosor de las nanoláminas”.
Los resultados, publicados en Advanced Materials, amplían el procedimiento de obtención de nanoláminas a cristales covalentes en los que la exfoliación se consideraba inviable, lo que puede iniciar una nueva familia de nanomateriales 2D con propiedades fisicoquímicas novedosas.
Esquema del proceso de preparación de las nanoláminas de germanio / Gibaja et al.
Exfoliación micromecánica
Desde el aislamiento y caracterización del grafeno, el primer material de espesor atómico, la búsqueda de nuevos materiales bidimensionales (2D) ha atraído una gran atención debido a sus destacadas propiedades físicas y químicas fundamentales, así como a su potencial impacto tecnológico.
Aparte de los métodos de síntesis basados en enfoques constructivos, también denominados de abajo a arriba (equivalentes a bajar de tamaño mediante el uso de energía, como la deposición química desde fase vapor), estas nanoestructuras 2D se han preparado en gran medida mediante técnicas destructivas (utilizando energía), conocidas como de arriba a abajo, como la exfoliación micromecánica o en fase líquida, en las que los materiales de partida típicos son cristales formados por láminas unidas por fuerzas de van der Waals, que son relativamente débiles y permiten separar las láminas fácilmente.
Estas técnicas de arriba a abajo han permitido no sólo estudiar las propiedades físicas de las nanoláminas aisladas sobre diferentes superficies y la fabricación de dispositivos de prueba de concepto, sino también generar suspensiones estables que contengan monocapas o pocas capas con diversas propiedades y aplicaciones; entre las que se puede destacar la catálisis heterogénea, la fabricación de membranas de filtración, electrodos para supercondensadores o tintas para electrónica flexible.
“En general, era un hecho aceptado que se necesitaba una estructura cristalina laminar inicial con interacciones débiles entre capas como requisito previo para los materiales de partida que se iban a exfoliar, restringiéndose las fuentes a los cristales laminares conocidos”, detallan los autores.
Sin embargo, hoy en día la tecnología electrónica está dominada por semiconductores con fuertes enlaces covalentes, como el silicio o el germanio, que presentan una estructura similar a la del diamante. En este último caso, cabe destacar que, además de las aplicaciones optoelectrónicas del germanio, como por ejemplo fibras ópticas o detectores de infrarrojos, este semiconductor también se considera un candidato prometedor para la fabricación de baterías de alto rendimiento.
Sin embargo, la investigación en estos campos se ha visto limitada hasta ahora por la falta de nanoestructuras de germanio, que se reducen esencialmente a unos pocos ejemplos de nanopartículas, además de formas novedosas de germanio como el germanano (GeH), un cristal de una sola capa de germanio unido a hidrógeno similar al grafeno, y el germaneno, un análogo estructural del grafeno que sólo se ha preparado en condiciones estrictas de ultraalto vacío (UHV). Por lo tanto, la preparación de nanoestructuras de germanio en forma de nanoláminas es de alto interés científico y tecnológico.
Referencia bibliográfica
Gibaja, C., Rodríguez-San-Miguel, D., Paz, W.S., Torres, I., Salagre, E., Segovia, P., Michel, E.G., Assebban, M., Ares, P., Hernández-Maldonado, D., Ramasse, Q., Abellán, G., Gómez-Herrero, J., Varela, M., Palacios, J.J., Zamora, F. 2021. Exfoliation of Alpha-Germanium: A Covalent Diamond-Like Structure. Advanced Materials 33(10): e2006826. doi: 10.1002/adma.202006826
