Nanotecnologia y sus aplicaciones el grafeno

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. [1] [2] [3]

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. [3]

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. [3]

El proceso utilizado para estampar conexiones
eléctricas en los microprocesadores, ejerce una tensión
que puede provocar el fallo de los chips. [3]

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. [5]

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. [5] [6]

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.
[6]

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.
[6]

Esto permite distinguir entre las mono capas, las
bicapas y unas pocas capas (3 a 10) como tres tipos de grafeno.
[6]

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

Figura 1: distintas presentaciones del
grafeno [21]

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.
[7] [13]

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.
[7] [14]

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. [13] [14]

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. [14]

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.
[14]

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). [14]

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.
[14]

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. [18]

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. [18]

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. [18]

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. [18] [19]

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. [19]

Figura 2: Uso del grafeno en pantallas
planas [22]

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. [19]

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. [19]

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.
[19]

Figura 3: obtención de láminas
de grafeno [23]

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. [19]

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

Nació en Cuenca el 20 de junio de 1990,
recibió los estudios primarios en la escuela superior LUIS
CORDERO CRESPO, sus estudios secundarios los realizo en el
colegio nacional TECNICO GUILLERMO MENSI obteniendo el
título de bachiller técnico en MAQUINAS Y MOTORES
ELECTRICOS actualmente se encuentra cursando el 5to ciclo en la
carrera de ING. ELECTRONICA en la UNIVERSIDAD POLITECNICA
SALESIANA.