El grafeno y sus aplicaciones

Resumen

La era de la nanotecnología ha incursionado
en varios ámbitos de la tecnología como lo ha hecho
el grafeno que hasta hace unos días,
prácticamente nadie había oído hablar
de este compuesto. Esta situación ha cambiado
después de que la Real Academia de las Ciencias sueca
premiara con el Nobel de Física a dos científicos
rusos por sus investigaciones sobre este
material.

PALABRAS CLAVE: nanotecnología, grafito,
grafeno, semiconductores.

Introducción

El grafeno es un material bidimensional que tiene
sólo un átomo de grosor. Su estructura laminar de
grafito está compuesta de átomos de carbono que
forman una red hexagonal. Varios investigadores destacan que es
la membrana más fina creada hasta el momento.

Su apariencia puede parecer frágil ya que a
simple vista el grafeno luce como una tela transparente y
flexible. Sin embargo es un material extremadamente
resistente que además sirve como conductor de la
electricidad.

Las aplicaciones del grafeno aún estar por
descubrirse aunque algunos entendidos en el tema apuntan su uso
en el área de la electrónica por sus
extraordinarias propiedades conductoras y
semiconductoras.

Uno de los campos donde este material parece ser
más prometedor es en la industria de semiconductores. Este
sector tiene la intención de construir computadoras mucho
más rápidas que las de hoy en día gracias a
la implementación de transistores de grafeno en los
microprocesadores. Pero el principal problema en la
construcción de microprocesadores es la presión
debido a que los materiales usados para fabricar los transistores
no sólo deben tener excelentes propiedades
eléctricas, sino que también deben ser capaces
de soportar la tensión a la que se ven sometidos
durante el proceso de fabricación y al calentamiento
generado por las tareas repetitivas que
desempeñan.

El proceso utilizado para estampar conexiones
eléctricas en los microprocesadores, ejerce una
tensión que puede provocar el fallo de los
chips.

Debido a esto el grafeno ha sido el material que
mejor ha soportado todo este procedimiento.

Características del grafeno

El grafeno es un cristal bidimensional; como ya sabemos
un plano monoatómico es un cristal 2D, mientras que 100
mono capas se deben considerar como una película delgada
de un material tridimensional.

Para el grafeno la situación se ha hecho clara
pues la estructura electrónica evoluciona
rápidamente con el número de capas y se aproxima al
límite tridimensional con unas diez capas.

Sólo el grafeno y su bicapa tienen espectros
sencillos que son semiconductores con laguna cero (o semimetales
con cero solapes) con un tipo de electrones y un tipo de
huecos.

Para 3 o más capas, los espectros se van
volviendo más complicados, es decir aparecen varios
portadores, y las bandas de conducción y de valencia
empiezan a solaparse.

Esto permite distinguir entre las mono capas, las
bicapas y unas pocas capas (3 a 10) como tres tipos de
grafeno.

Las estructuras más gruesas se pueden considerar
como películas delgadas de grafito.

Figura 1: distintas presentaciones del
grafeno

Propiedades del
grafeno

PROPIEDADES MECANICAS:

Las propiedades mecánicas del grafeno han sido
determinadas por diferentes métodos, como el abombamiento
de membranas, el oscilador armónico, las vigas doblemente
empotradas o en voladizo, dinámica de membranas,
dinámica de placas, actuadores vibrantes, detección
óptica, deflexión de vigas, aplicación de
sistemas microelectromecánicos y sistemas
nanoelectromecánicos.

El grafeno tiene una resistencia a la cedencia de 130
GPa, un módulo de elasticidad de 1.06 TPa, y una
relación de Poisson de ? = 0.186, sin embargo, a
pesar de esa elevada rigidez, las láminas de grafeno
tienen una gran flexibilidad, lo cual se atribuye al cambio en la
curvatura dado por el alargamiento reversible de los enlaces
sp.

Además, debido a la baja densidad de defectos en
las películas, el comportamiento elástico del
grafeno refleja las propiedades intrínsecas del enlace
interatómico en toda su resistencia hasta el punto de
ruptura. Por consiguiente, la respuesta del grafeno se debe
considerar no lineal pues la gráfica tensión
– deformación se debe curvar sobre el punto
máximo que indica la tensión de ruptura.

PROPIEDADES ELECTRONICAS:

Como se ha repetido, uno de los aspectos más
interesantes del grafeno es que sus excitaciones de baja
energía son fermiones de Dirac, sólo que estos se
mueven a una velocidad menor que la predicha por la
electrodinámica cuántica (EDC), pues vF es
300 veces menor que la velocidad de la luz c. Por ello
muchas de las propiedades inusuales de la EDC aparecen en el
grafeno pero a menores velocidades.

Los fermiones de Dirac se comportan de manera
extraña si se comparan con los electrones ordinarios en
los campos magnéticos, lo cual da como resultado nuevos
fenómenos físicos como el anómalo efecto
Hall cuántico entero (EHCE) que además de ser
diferente al EHCE exhibido por el silicio y en el arseniuro de
galio y aluminio, se puede observar a temperatura
ambiente.

Otra característica interesante de los fermiones
de Dirac es su insensibilidad a los potenciales
electrostáticos externos debido a la llamada paradoja de
Klein, esto se debe a que los fermiones de Dirac se pueden
transmitir con una probabilidad de 1 en una región
prohibida clásicamente. Por ello los fermiones de Dirac se
comportan distinto en la presencia de potenciales de
confinación, lo que genera el fenómeno de
Zitterbewegung, o movimiento saltón
(nervioso).

En el grafeno esos potenciales electrostáticos
pueden ser generados fácilmente por el desorden. Y como el
desorden es inevitable en cualquier material, ha habido mucho
interés en entender cómo el desorden afecta la
física de los electrones en el grafeno y sus propiedades
de transporte. Las fuentes de desorden en el grafeno son muchas y
pueden variar desde los efectos comunes encontrados en los
semiconductores, como las impurezas ionizadas en el sustrato de
Silicio, a átomos adsorbidos y varias moléculas
adsorbidas en la superficie del grafeno, hasta efectos menos
usuales como las ondulaciones asociadas con la estructura blanda
del grafeno. De hecho el grafeno es único en el sentido de
que comparte las propiedades de las membranas blandas y al mismo
tiempo se comporta de una manera metálica, de modo que los
fermiones se propagan en un espacio curvado
localmente.

La blandura del grafeno se relaciona con los modos
vibracionales fuera del plano. Estos modos flexurales, que son
los responsables de las propiedades flexibles del grafeno,
también contribuyen a la falta de orden estructural de
largo alcance en las membranas delgadas, lo que produce el
fenómeno de abollamiento o arrugamiento.

También se ha notado que el grafeno puede
presentar efectos mesoscópicos. Esos efectos tienen su
origen en las condiciones límites requeridas por las
funciones de onda en las muestras mesoscópicas con varios
tipos de bordes que puede tener el grafeno.

Los bordes más estudiados, en zigzag y en forma
de brazo de silla, tienen propiedades electrónicas muy
diferentes.

Aplicaciones del
grafeno

Las asombrosas propiedades de transporte del grafeno ya
mencionadas han hecho pensar que el grafeno puede, con el tiempo
suplantar al silicio en los chips de computador, con la
perspectiva de aparatos ultrarrápidos operando a
velocidades de Tera hercios. Sin embargo, de acuerdo con los
expertos, los microprocesadores de grafeno se demoraran por lo
menos 20 años en salir al mercado. Por lo que se espera
que aparezcan otras aplicaciones del grafeno.

El uso más inmediato puede ser en materiales
compuestos pues se ha demostrado que el polvo de grafeno se puede
producir en masa, lo que permitiría desarrollar
plásticos conductores con rellenos de menos de 1 % en
volumen.

Otra posibilidad atractiva es el uso de polvo de grafeno
en las baterías eléctricas que son en la actualidad
el principal mercado para el grafito.

Una mejor relación superficie/volumen y la
elevada conductividad pueden mejorar la eficiencia de las pilas
reemplazando las nano fibras de carbono que se usan en las
baterías modernas.

Las aplicaciones más nuevas del grafeno se
relacionan con su transparencia y su alta conductividad para su
uso para electrodos en pantallas planas y celdas solares.
Actualmente, por su transparencia, el óxido de indio es el
material usado en tales electrodos, pero presenta el problema de
que es muy escaso en el planeta, por tanto las investigaciones
buscan nuevos materiales con excelentes propiedades conductivas y
que puedan ser aplicados en optoelectrónica.

Figura 2: Uso del grafeno en pantallas
planas

Investigadores en Alemania han demostrado que las
películas delgadas de grafeno son una buena opción
para ser usados como electrodos pues tienen alta conductividad,
buena transparencia en ambas regiones de infrarrojo y visible,
una superficie ultra suave y es química y
térmicamente estable.

Además el equipo preparó celdas solares
orgánicas con una película delgada de grafeno con
cuarzo como ánodo. Las hojas de grafeno trabajan de forma
óptima, aunque existe la posibilidad de mejorar las
propiedades del mismo al incrementar la conductividad de la
película de grafeno. Los investigadores creen que los
electrodos transparentes de grafeno se pueden aplicar en diodos
emisores de luz orgánicos, en pantallas planas y otros
dispositivos opto electrónicos.

Finalmente, no puede dejar de mencionarse el
almacenamiento de hidrógeno, que ha sido un tema muy
activo y controvertido con los nanotubos. Se ha sugerido que el
grafeno es capaz de absorber una gran cantidad de
hidrógeno y se esperan muchos esfuerzos experimentales en
esta dirección.

Figura 3: obtención de
láminas de grafeno

La película permite el paso del 90% de la luz y
tiene una resistencia eléctrica menor que la del conductor
común que es de óxido de estaño. Se pudo
revelar que el grafeno funcionó mejor que el óxido
en una pantalla, el cual además es frágil, mientras
que la pantalla de grafeno soporta el doble de deformación
que los aparatos convencionales basados en el
óxido.

Conclusiones

Después de haber leído y revisado acerca
de este nuevo material como es el grafeno nos damos cuenta que es
un material muy versátil y de muchas aplicaciones en esta
nueva era tecnológica que estamos viviendo claro que se
debe seguir investigando acerca de este material con el fin de
seguir encontrando un sin número de aplicaciones
versátiles.

El uso de esta nanotecnología nos ayuda mucho al
empleo de menos hardware para la construcción de aparatos
electrónicos ya que al ser materiales tan pequeños
el espacio y volumen ocupados son mínimos, aumentando la
versatilidad y la velocidad de respuesta de dichos aparatos
electrónicos.

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Autor:

Christian Estrella