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Las propiedades electrónicas, y por lo tanto las ópticas, de una heteroestructura compuesta por capas bidimensionales de grafeno y de disulfuro de tungsteno (G-WS2) están influenciadas por el ángulo de rotación de las capas y por el protencial superperiodico asociado con el patrón de moiré, de acuerdo con lo propuesto de manera reciente por un grupo de académicos del Instituto de Física (IF) de la UNAM. Un patrón de moiré se forma cuando se superponen dos periodicidades distintan, creando una nueva superperiodicidad la cual también modula el potencial de interacción de los electrones.

Este trabajo demuestra que el control del ángulo entre las capas de distintos materiales es crucial para el diseño de propiedades electrónicas de heteroestructuras de componentes bidimensionales.

El grupo conformado por la Dra. Cecilia Noguez Garrido, investigadora del departamento de Física Química del IF, el Dr. Francisco Sánchez Ochoa, investigador del departamento de Materia Condensada del IF, y el Dr. Francisco Hidalgo, investigador postdoctoral, publicó el trabajo en Nature 2D materials and applications, una revista internacional que se enfoca en materiales bidimensionales, incluyendo su síntesis, comportamiento, propiedades y aplicaciones.

Con este trabajo, el equipo académico fue capaz de observar distintas mini-brechas de energía o mini-gaps de diferentes tamaños, la separación de bandas y la hibridación dependientes del ángulo entre las capas de los dos materiales. De forma específica para el caso de los mini-gaps, los académicos detectaron que su número, sus valores energéticos y su posición están asociadas con dicho ángulo. Además, hallaron que la presencia de patrones de moiré también tiene implicaciones en las modificaciones electrónicas, lo que lleva al surgimiento de nuevas propiedades, como la repulsión o el cruce evitado entre bandas electrónicas.

“Lo que buscamos es explotar las diferentes propiedades que surgen a partir de las características de cada material y de la suma de ellas, además de modularlas y controlarlas en función del ángulo entre las capas”, explicó el Dr. Sánchez, luego de mencionar que, en el pasado, otros grupos de investigación internacionales han presentado trabajos teóricos y experimentales en donde no podían asegurar que las modificaciones en las propiedades electrónicas de los sistemas estaban asociadas al ángulo de rotación de las capas. Con el presente trabajo, los académicos del Instituto de Física probaron que sí existe una influencia en las propiedades electrónicas y el ángulo de rotación. “Esos trabajos carecían de control teórico sobre el sistema, por lo que no tenían manera de probar que, efectivamente, la rotación era la causante de dichas propiedades”, apuntó el investigador.

De acuerdo con este trabajo, la modulación de las propiedades electrónicas surge, de forma preponderante, por las interacciones entre los orbitales fuera del plano del grafeno y del disulfuro de tungsteno, así como del potencial superperiódico relacionado con el patrón de moiré. Además, los cambios electrónicos son dependientes de la simetría de las superceldas.

Como parte de los resultados, algo que los investigadores destacaron fue la actividad de los electrones, “porque tienes ambas capas, una debajo de la otra, y hay ciertas posiciones de espacio y energía en donde el electrón puede brincar, esto de la capa superior a la inferior o viceversa. Pero no sólo eso, sino también vemos que aparece en otra región del material. Lo que vemos es que hay una especie de efecto de túnel”, mencionó la Dra. Noguez al explicar que esta es una interacción que no se había explorado del todo y cuyos mecanismos han sido poco discutidos. Además, este fenómeno observado se relaciona con la aparición de conos secundarios, una cuestión que tampoco había podido ser demostrada con anterioridad en trabajos relacionados.

El objetivo de este trabajo fue analizar las propiedades de los materiales a la vista de la teoría funcional de la densidad y con el uso de un método general de desdoblamiento de bandas electrónicas, desarrollado por el mismo grupo, que permite la identificación de alteraciones de las bandas por las interacciones entre capas con ángulos diferentes. Es así que realizaron el estudio con cuatro ángulos de rotación de capas diferentes: 0o, 10.9o, 19.1o y 30o, éste último siendo el límite máximo de rotación de ángulo debido a que ambos materiales tienen una estructura hexagonal.

“La generación de los sistemas periódicos fue un reto por su complejidad en el espacio real. Por supuesto, aplicar la metodología que utilizamos nos permitió comprender muchos elementos del sistema”, comentó la Dra. Noguez al reconocer que este trabajo es el resultado de un par de años de colaboración, en tanto que el método empleado fue desarrollado como parte del proyecto de postdoctorado del Dr. Sánchez. “Poder proyectar las funciones de onda del sistema cuando interactúa y cuando no lo hace, y de ahí ser capaces de inferir la relación de la heteroestructura fue un reto. En el pasado no se habían realizado estudios para entender las interacciones entre las capas”, explicó la investigadora al detallar los antecedentes de este trabajo.

Del apilamiento de las capas, los académicos buscaron observar los elementos que surgen y que pueden ser controlados gracias a la modulación del ángulo de rotación. Al hablar de los materiales y de la construcción de la heteroestructura, el Dr. Sánchez explicó que “las dos capas presentan propiedades que, de manera independiente, son distintas en términos electrónicas y mecánicas, por mencionar dos características. La idea fue colocar dos materiales diferentes y encontrar una sinergia, del que surja un nuevo parámetro de control luego de rotar la orientación de una con respecto a la otra”, mencionó.

Cabe destacar que el equipo ya ha publicado artículos anteriores relacionados con este proyecto, en donde se detalla el método de trabajo con capas de grafeno. Sin embargo, como lo mencionó la Dra. Noguez, “este es más versátil porque toma en cuenta las rotaciones, y también considera que son diferentes tipos de materiales, además de que es 15 o 20 veces más rápido que los anteriores, necesita poca información del sistema, y es posible acceder a la información de cada una de las capas por separado. Además de que se implementó la metodología antes propuesta, pero ahora en un sistema mucho más complejo”, apuntó.

Debido a que este trabajo se enfoca en el estudio de heteroestructuras de grafeno y disulfuro de tungsteno y de su relación cuando se estudian a la luz de cuatro ángulos en específico, resulta de interés conocer si los resultados obtenidos pueden ser generalizables para otro tipo de materiales y en ángulos diferentes. Más aún, deja la puerta abierta para llevar a cabo una verificación experimental que considere otra serie de complejidades, como el impacto del dopaje en las propiedades electrónicas.