El Grafeno, Material del Futuro

El Grafeno, Material del Futuro


Imagen:  Recreación artística que representa la estructura cristalina ideal del grafeno en una retícula hexagonal | Autor: AlexanderAlUS,  Vía: Grafeno

1 INTRODUCCIÓN

El grafeno es una lámina plana de carbono de un solo átomo de espesor que apilada con otras láminas iguales forma el grafito, conocido por todos por estar presente en las minas de los lápices. Hasta hace muy poco no se consiguió aislar este material.

Este artículo lo preparé para mi carrera hace un par de años, ahora lo hago público a través del foro. Entre los múltiples materiales de futuro que podía haber elegido, me decanté por el grafeno. Según se publica en SINC, la primera agencia de noticias científicas en español, de ámbito estatal y público: “El grafeno es una referencia científica para el 10 % de los estudios mundiales sobre el que se considera ya uno de los mayores descubrimientos del siglo XXI.”

El principal motivo es que es un elemento muy novedoso y de gran actualidad, la Real Academia de las Ciencias de Suecia ha galardonado este año 2011 a Andre Geim y Konstantin Novoselov por sus trabajos en el desarrollo de este elemento. Aparte de este motivo, el grafeno tiene una serie de propiedades singulares, de índole química, eléctrica y electrónica, mecánica, óptica y térmica, que prometen múltiples innovaciones potenciales en numerosas aplicaciones industriales y domésticas, razones suficientes para que le haya elegido para este trabajo.

2 OBJETIVO

El objetivo de este estudio pretende por un lado hacer una breve revisión histórica de la investigación en los compuestos del carbono, para continuar centrándome en el grafeno,  explicando sus propiedades físicas y tecnológicas más destacadas así como sus aplicaciones industriales más relevantes y los modos de obtención más comunes.

Dentro de las múltiples aplicaciones de este novedoso material, me centraré en el desarrollo de los transistores de un solo electrón fabricados con este material que permitirían en un futuro prolongar la ley de Moore, ley que estableció Gordon Moore, pionero de la industria electrónica, hace unos 40 años, y que establecía que el número de transistores integrados en una determinada área se duplicaría cada 18 meses, aproximadamente. Hasta ahora se ha ido cumpliendo de forma bastante certera.

3 DESARROLLO

3.1 Historia de la investigación de los compuestos de carbono

Hasta no hace mucho tiempo se consideraba que el carbono puro, a temperatura y presión ambientes, existía en forma de dos tipos de materiales, por un lado el grafito, constituido por láminas apiladas fáciles de separar, y el diamante, de estructura cúbica cristalina, con una gran dureza que le caracteriza.

No existen muchos materiales con características muy distintas formados por el mismo elemento químico, pero en el caso del carbono la investigación científica durante el último tercio del siglo XX y los años que llevamos del XXI, ha descubierto aún más formas de carbono en la naturaleza.


Entre 1940 y 1950 se investiga el grafito, semimetal con propiedades muy anisótropas.

Entre 1960 y 1970 se estudiaron los compuestos intercalares de grafito, estos están formados por láminas muy finas de grafito, que pueden ser superconductoras, entre capas de otros materiales.

Entre 1975 y 1978 se sintetiza el poliacetileno, (CH)n, dopado (por ejemplo: (CH)nIx). Polímeros metálicos con un amplio rango de conductividades. A. J. Heeger, A. G. MacDiarmid y H. Shirakawa reciben por ello en el año 2000 el premio Nobel de química.

En 1985 se descubrió, en el espacio interestelar, el fullereno, una molécula de sesenta átomos de carbono (C60) y con forma de balón de fútbol. También se sintetizaron moléculas de carbono parecidas de mayor tamaño. R. F. Curl Jr., H. Kroto y R. E. Smalley reciben por ello en 1996 el premio Nobel de química.
En 1991 se observan los nanotubos de carbono, láminas muy finas de grafito enrolladas en forma de tubo, con gran variedad de formas, que pueden ser metálicos o semiconductores.
Finalmente, en el año 2004, se aísla y estudia el grafeno. Láminas de grafito con un espesor de un solo átomo: el grafeno. Inicialmente de una o varias micras de extensión. Actualmente existen ya muestras de centímetros. Desde su descubrimiento la investigación sobre el grafeno no ha parado de crecer.

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3.2 Formas de Obtención de Grafeno

Durante muchos años, fracasaron todos los intentos de obtener grafeno. Al principio se insertaban a modo de cuñas diversas moléculas entre los planos atómicos de grafito, para separarlos, método conocido como exfoliación química. Es casi seguro que en alguna fase transitoria del proceso debían de desprenderse láminas de grafeno, pero nunca se llegaron a identificar.

En el año 2005, investigadores de la Universidad de Manchester demostraron que las láminas de grafeno podían obtenerse de forma sencilla.

El equipo dirigido por Andre K. Geim estaba empleando métodos para adelgazar muestras de grafito. El azar les llevó a emplear residuos de grafito exfoliado por medio de la fuerza bruta. Pegaron en una cinta adhesiva una escama de los residuos y plegaron sobre la escama el lado adherente de la cinta. Al abrir de nuevo la cinta, la escama se escindió en dos. Repitiendo el proceso se obtenían fragmentos cada vez más finos. Un meticuloso examen de las laminillas reveló que algunas sólo tenían un átomo de espesor. Un simple celo bastó para conseguir uno de los materiales más asombrosos de la naturaleza.

Más llamativo aún fue que estos pedacitos de grafeno recién identificados resultaran ser cristales de alta calidad, químicamente estables, incluso a temperatura ambiente.
El equipo, obtuvo muestras de distintos espesores, y demostró que el número de portadores de corriente en su interior, electrones o huecos, podía ajustarse mediante electrodos externos.
El grafeno puede generarse en la superficie del carburo de silicio (SiC) por evaporación del silicio, o en la superficie de metales, por descomposición de moléculas absorbidas.

Ha costado mucho esfuerzo obtener muestras grafíticas de espesor próximo al de una capa de grafeno.

Varios grupos de instituciones europeas y estadounidenses , entre ellas, el Instituto de Tecnología de Georgia, la Universidad de California en Berkeley y la Universidad del Noroeste, han logrado hacer crecer películas de grafeno sobre obleas de carburo de silicio parecidas a las que se usan en la industria de los semiconductores.

El procedimiento consiste en fijar un microcristal de grafito al brazo volado de un microscopio de fuerza atómica y raspar la punta del microcristal contra una oblea de silicio. Este “nanolápiz” deposita unas delgadas “tortas” de grafeno sobre la oblea.




Imagen: Representación de la obtención de tortas de grafeno por medio de un “nanolápiz” de microcristales de grafito | Vía “Grafeno” por André K. Geim y Philip Kim

El principal problema en la actualidad es producir grafeno en gran cantidad. Hay muchos investigadores dedicados al desarrollo de técnicas perfeccionadas. Aunque el grafeno en polvo ya se puede producir a escala industrial, la lámina de grafeno resulta todavía muy difícil de conseguir, lo que le convierte a día de hoy, en uno de los materiales más caros del planeta.

3.3 Características Generales

3.3.1 Estructura cristalina

El grafeno es el cristal bidimensional más delgado de la naturaleza. Su espesor, es de sólo un átomo, y esto impide que se pueda definir su anchura de una forma  inequívoca (se considera de 3 Ángstrom, que es la fluctuación observada en medidas de barrido electrónico).

La existencia de un cristal bidimensional es un tanto contradictoria: excepto a temperatura cero, los materiales no se encuentran en un estado de perfecto equilibrio; además, las fluctuaciones térmicas en una y dos dimensiones son suficientemente importantes como para que no se pueda definir con rigor el orden cristalino a grandes distancias. Todo cristal bidimensional presenta defectos, y los más frecuentes son pares de dislocaciones.
El grafeno destaca por poseer pocos defectos, una rigidez excepcional y la posibilidad de expandirse mucho más que cualquier otro material cristalino. Se ha demostrado que la red del grafeno puede estirarse, de forma reversible, hasta un diez por ciento. La mayoría de los sólidos dejan de ser estables para deformaciones inferiores al tres por ciento.

Las membranas de grafeno pueden soportar átomos de metales pesados, como el oro o el níquel, prácticamente sin deformarse. La masa de estos átomos es cuatro o diez veces mayor que la del carbono. Sin embargo, las muestras de grafeno nunca son completamente planas; presentan rugosidades a escala nanoscópica cuyo origen se desconoce.

3.3.2 Características extrínsecas

Debido a la configuración del grafeno, se puede ver como un objeto que es todo  superficie, hallándose por tanto, mucho más expuesto a las influencias del medio externo que otros materiales.

Los procesos de síntesis y crecimiento, a presión atmosférica y a temperatura ambiente o más elevada, no permiten un control preciso del entorno. Ello puede ser la causa de que las  propiedades de conducción del grafeno no lleguen todavía a igualar las de los semiconductores más utilizados en la fabricación de circuitos integrados, obtenidos en salas blancas mediante un proceso finamente controlado.

A pesar de la limitada calidad de las primeras muestras, la especial estructura electrónica del grafeno ya ha permitido observar procesos como el efecto Hall cuántico, de gran interés desde el punto de vista de la investigación, así como por sus posibles aplicaciones. Este efecto se ha medido en grafeno a temperatura ambiente, hasta ahora, su observación en silicio o germanio exigía enfriar las muestras a la temperatura del helio líquido, 4 ºK.

La actividad investigadora para separar las propiedades intrínsecas del grafeno de las inducidas por el medio y mejorar la calidad del material es muy intensa. Se ha pasado de las escasas muestras iniciales de dimensiones de milésimas de milímetro a capas de centímetros.

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3.3.3 Características Electrónicas

Las propiedades metálicas o aislantes de un material vienen determinadas por la posición del nivel de Fermi (ɛF) y su estructura de bandas electrónicas.

El nivel de Fermi corresponde al nivel energético más alto ocupado. Los niveles energéticos desocupados más bajos conforman la banda de conducción (lila); los niveles ocupados de mayor energía, la banda de valencia (fucsia). En los metales, la banda de conducción y la de valencia se solapan. En los no metales, en cambio, aparece una brecha energética que dificulta el paso de los electrones de una banda a otra.



Imagen: El grafeno es un material fuera de lo común. Sus propiedades electrónicas lo sitúan a caballo entre los metales y los semiconductores como se puede ver en el gráfico | Vía “Electrónica del Grafeno” por José González Carmona, M.ª Ángeles Hernández Vozmediano y Francisco Guinea

3.3.4 Pseudoespin

La red del grafeno está formada por la repetición de un patrón unidad que contiene dos átomos de carbono equivalentes. Puede considerarse la unión de dos redes monoatómicas triangulares, de modo que los estados (funciones de onda) de los electrones corresponden a superposiciones de estados definidos en cada una de estas dos redes. La fase relativa entre estas dos componentes permite definir una variable, el pseudoespín, con propiedades análogas a las del espín de un electrón en el vacío.

La existencia del pseudoespín implica que las barreras de potencial que se utilizan para localizar los portadores en semiconductores, y fabricar transistores u otros dispositivos, no pueden confinar los electrones en el grafeno, esto complica el diseño de los dispositivos electrónicos de grafeno.

3.3.5 Interacciones Complejas

Una carga eléctrica en un metal está apantallada por los electrones del metal. Por ello, las interacciones entre los propios electrones no cambian cualitativamente los estados electrónicos, que pueden estimarse, en una primera aproximación, sin tener en cuenta el efecto de las interacciones. Esto no ocurre en los materiales aislantes. En éstos, sin embargo, la existencia de una brecha de energías prohibidas en el espectro de estados electrónicos también permite ignorar el efecto de la repulsión entre los electrones, que, en todo caso, haría al material más aislante todavía.

Al no ser el grafeno un metal ni un aislante, la estructura de las bandas no permite a los electrones apantallar del todo potenciales electrostáticos. Como resultado, los estados se modifican, y las propiedades de apantallamiento también. Ello hace que los electrones dentro del grafeno interaccionen de manera parecida a como lo hacen los electrones de la física de altas energías.

Un tratamiento completo del efecto de las interacciones en el grafeno requiere los mismos métodos y conceptos que se utilizan en electrodinámica cuántica, la teoría cuántica de partículas cargadas.

3.3.6 Campos de Aforo

En física cuántica, un campo de aforo (gauge) modifica las propiedades de las partículas cuando éstas se desplazan. Una partícula que sigue una trayectoria dada, en presencia de un campo de aforo, cambia su estado interno. Ello puede dar lugar a fuerzas adicionales y modificar, a su vez, la trayectoria.

El movimiento de los electrones en el grafeno también se ve afectado por las deformaciones de largo alcance de la red cristalina. Este efecto se puede describir como un campo de aforo. Debido a la naturaleza “relativista” de los electrones del grafeno, una deformación de la red cristalina modifica el momento lineal de la partícula; el mismo efecto que produce un cambio en la fase de la función de onda.

Esta propiedad, que se ha estudiado sólo en el grafeno, hace que determinadas deformaciones generen los mismos efectos que campos magnéticos reales, si bien siempre aparecen dos tipos de campos, de signos opuestos. La ingeniería de tensiones está desarrollando aplicaciones que permitan controlar las propiedades electrónicas del grafeno.

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3.3.7 Propiedades Físicas y Tecnológicas más Significativas

Dos son las propiedades físicas fundamentales del grafeno, de las que se derivan el resto de propiedades tecnológicas asociadas.

3.3.7.1 primera propiedad física fundamental

La primera propiedad fundamental del grafeno es que dispone de una estructura cristalina casi perfecta.

Su elevada calidad, pese a que aún se le esté fabricando de modo bastante tosco es resultado de su pureza en carbono, combinada con la regularidad del retículo en el que se disponen sus átomos.

Hasta ahora, no ha podido encontrarse un solo defecto atómico en el grafeno, sea una posición atómica vacante en el retículo o un átomo fuera de su sitio. Un orden cristalino tan perfecto parece derivarse de unos enlaces interatómicos de gran solidez, aunque muy flexibles; se crea así una sustancia más dura que el diamante, pero cuyos planos pueden curvarse cuando se les aplica un esfuerzo mecánico. La flexibilidad de la estructura admite grandes deformaciones  antes de que sus átomos tengan que reorganizarse para acomodar la tensión.

La calidad del retículo cristalino determina también la conductividad eléctrica, notablemente alta, del grafeno. Los electrones se desplazan por el material sin ser desviados de su curso por imperfecciones del retículo ni por átomos extraños. Gracias a la consistencia de los enlaces interatómicos, ni siquiera son importantes las perturbaciones que sufren los electrones del grafeno a temperatura ambiente, a causa de los átomos de carbono circundantes.

3.3.7.2 Segunda Propiedad Física Fundamental

La segunda propiedad fundamental del grafeno está presente en sus electrones, que, además de desplazarse por el retículo sin impedimentos significativos, se mueven mucho más deprisa, como si su masa fuese mucho menor, que los electrones que circulan por los metales y semiconductores ordinarios.

Los electrones del grafeno, también llamados “portadores de carga eléctrica”, son unas partículas que están sujetas a leyes análogas a las de la mecánica cuántica relativista, comportándose de forma particular. Este tipo de interacción en el interior de un sólido es exclusivo del grafeno.

3.4 Aplicaciones industriales más relevantes

El grafeno es un material muy novedoso que todavía está en fase de estudio para su incorporación a aplicaciones industriales concretas, sin embargo el abanico de posibilidades es muy amplio y se están evaluando las diversas posibilidades técnicas que ofrece este material.

La década que se lleva invertida en la investigación sobre nanotubos de carbono, es un trabajo aprovechable y aplicable al grafeno y hace pensar en que casi todas las aplicaciones de los nanotubos estén también al alcance del grafeno.

Las propiedades físicas y electrónicas que son exclusivas del grafeno le convierten en un material muy deseable para los departamentos de I+D de las empresas, que ya piensan en sus posibles aplicaciones comerciales concretas.

Su alta relación superficie/volumen lo hace de fácil manejo para la fabricación de materiales compuestos de gran resistencia.


Imagen: Muestra de papel de grafeno. En comparación con el acero, el nuevo material es seis veces más ligero, entre cinco y seis veces menos denso, dos veces más duro, tiene diez veces mayor resistencia a la tracción y 13 veces más rigidez de flexión. La muestra fue obtenida por un equipo de investigadores de la de la Universidad Tecnológica de Sídney, el trabajo es un paso adelante en el desarrollo de un material que tiene el potencial de revolucionar la automoción, aviación, la industria eléctrica y óptica | Autora: Lisa Aloisio; Vía University of Technology Sidney

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En el campo de los semiconductores el grafeno también tiene una gran proyección. Gracias a la labor investigadora, se sigue incrementando notablemente la movilidad de los portadores de corriente en el grafeno, para ello se están aplicando técnicas de expulsión de contaminantes de las muestras y se ha experimentado con muestras suspendidas que minimizan el contacto con otras partes.


Imagen: Muestra de grafeno suspendido, contactado por electrodos metálicos. La movilidad de los electrones en esta muestra es comparable a la de los mejores materiales semiconductores | Vía “Electrónica del Grafeno” por José González Carmona, M.ª Ángeles Hernández Vozmediano y Francisco Guinea

La extrema delgadez del grafeno permitiría también obtener emisores de campo de mayor rendimiento: unos dispositivos semejantes a agujas que emiten electrones en presencia de intensos campos eléctricos. La aplicación de campos eléctricos permitirá ajustar las propiedades del grafeno; podrían así construirse transistores superconductores y de válvula de espín, así como detectores químicos ultrasensibles.

Los portadores de carga se desplazan por el grafeno a gran velocidad con escasas pérdidas de energía por dispersión o colisiones con los átomos de su retículo cristalino, permitirá  la creación de transistores balísticos, dispositivos de frecuencia ultraelevada que revolucionarán la electrónica actual.

Por último, las películas delgadas formadas por retazos de grafeno superpuestos serían idóneas para revestimiento transparente y conductor de pantallas de cristal líquido y células solares.

Con seguridad ciertas aplicaciones especializadas llegarán al mercado en sólo unos años, en la Web grafeno.com, se hacen eco de las últimas novedades y prototipos de aplicaciones industriales basadas en el grafeno.

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3.5 Aplicaciones del Grafeno en Transistores

Dentro de las distintas aplicaciones tecnológicas que en las que puede verse implicado el grafeno, como ya he relacionado en el punto anterior, me gustaría centrarme en el uso del grafeno en transistores de nueva generación, tanto a los denominados de alta frecuencia, como a los de un solo electrón, también llamados transistores de punto cuántico, por sus revolucionarias implicaciones en el campo de la electrónica.


Imagen: En abril de este año 2011, IBM presentó un nuevo transistor de grafeno de alta frecuencia capaz de operar a 155GHz, esta frecuencia le permite realizar 155 mil millones de ciclos por segundo, algo impensable para la tecnología del silicio, y además lo hace prácticamente sin producir calor | Vía Nature

El transistor de alta frecuencia que presentó IBM tenía una longitud de puerta de sólo 40 nm. Se utilizó una base de diamante sobre la que se depositó el grafeno.

Los transistores de un solo electrón o punto cuántico tienen otra configuración., que describo a continuación. A escala nanométrica estaría formado por dos electrodos (fuente y drenador) conectados por una isla de material conductor, un punto cuántico que sólo mide 100 nanómetros de ancho. La isla es demasiado pequeña para admitir más de un electrón a la vez, si un segundo electrón lo intenta, será rechazado por repulsión electrostática. Un electrón procedente de la fuente entra en la isla por efecto túnel mecanicocuántico; después sale, también por efecto túnel, hacia el drenador. La tensión aplicada a un tercer electrodo llamado “puerta”, no representado en la imagen, controla si un electrón puede entrar o salir de la isla, registrándose así un 1 o un 0.


Imagen: Representación gráfica de un transistor de punto cuántico basado en grafeno | Vía “Grafeno” por André K. Geim y Philip Kim

La industria microelectrónica podría valerse del grafeno para prolongar la vigencia de la ley de Moore.

La gran estabilidad y conductividad eléctrica del grafeno, incluso a escala nanométrica, permitiría fabricar transistores de menos de 10 nanómetros y a largo plazo, se podrían fabricar circuitos integrados realizados en una lámina individual de grafeno.

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Para saber más:
The University of Manchester, artículos descargables en pdf sobre el grafeno
Web grafeno.com, con artículos sobre las aplicaciones prácticas del grafeno
Web graphene-info.com, con artículos científicos actuales sobre el grafeno
Web del Proyecto GRAPHENE-CA, que fomenta la investigación sobre el grafeno
Francis (th)E mule Science's News, Artículo sobre el efecto Hall cuántico en grafeno

Fuente:
Grafeno, Autores: André K. Geim y Philip Kim
Electrónica del Grafeno, Autores: José González Carmona, M.ª Ángeles Hernández Vozmediano y Francisco Guinea
Propiedades y Aplicaciones del Grafeno, Autores: Claramaría Rodríguez González y Oxana Vasilievna Kharissova

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