Grafeno

INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DEL GRAFENO PROPIEDADES PROPIEDADES Y APLICACIONES. Héctor Sandoval e-mail: [email protected] Ferando Tapia e-mail: [email protected] Moisés Oña e-mail: [email protected] Ismael Pillajo e-mail: [email protected] Resumen: Son sorprendentes los resultados de las investigaciones científicas sobre nano materiales en los últimos tiempos, debido a que presentan propiedades muy diferentes a sus versiones macro estos nano materiales impulsan una revolución científica dada la diversidad de los campos de aplicación que emergen . Sin embargo es en el carbono donde se ha puesto un mayor grado de atención en las investigaciones científicas ya que tiene varias formas alotrópicas[1]. El grafeno es una de ellas, y debido a su estructura presenta características muy interesantes, las cuales han sido estudiadas a nivel teórico ya mucho antes de su obtención desde la década del 30. Se consideraba imposible de obtenerlo, obtenerlo, en 2004 se refuto eso cuando científicos de la Universidad de Manchester lo consiguieron. Este fue el hecho inaugural de lo que podría considerarse como una revolución tecnológica solo comparable con la invención del transistor. PALABRAS CLAVE: Grafeno, Alotropos del Carbono, Grafeno bidimensional. Abstract:  These are surprising results of scientific research on nano materials in recent times, because they have very different properties to macro versions drive this nano materials scientific revolution given the diversity of emerging application areas. However it is on the carbon which has a higher degree of attention in scientific research as it has several allotropic forms. Graphene is one of them, and because of its structure presents very interesting features, which have been studied in theory long before their production since the 30s. It was considered impossible to obtain, in 2004 refute that when scientists at the University of Manchester succeeded. This was the inaugural made what could be considered only as a technological revolution comparable to the invention of the transistor.

En siguiente documento es una vista vista a breves rasgos, de la historia, desarrollo, propiedades, aplicaciones del grafeno desde el punto de vista de la electrónica. El siguiente artículo está basado en publicaciones de revistas científicas, tesis y artículos de profesionales en los campos de la electrónica y física.

2 HISTORIA El carbono es el cuarto elementos más abundantes en el universo, además de ser es básico en las moléculas que forman a los seres vivos y por su versatilidad[4] tiene muchas aplicaciones tecnológicas. La razón de su versatilidad es la gran cantidad de moléculas compuestas de carbono encontradas en condiciones termodinámicas usuales en la Tierra. Entre las formas cristalográficas más comunes del carbono puro se encuentran el diamante y el grafito. Este es un arquetipo de cómo las propiedades físicas y químicas de un material dependen de la estructura atómica. Aunque si ambos materiales están formados sólo por átomos de carbono, el diamante es aislante eléctrico, transparente y con una gran dureza; en cambio el grafito es metálico, opaco y blando. Uno es muy caro y el otro barato, justamente por su abundancia relativa. La manufactura de lápices es el uso más popular del grafito; y de hecho, de ahí toma su nombre. En 1789 Abraham Gottlob Werner [4] lo llamó grafito que viene viene del del griego griego grapho que significa significa dibujar/escribir.

KEY WORDS:  WORDS:  Graphene, carbon, two-dimensional graphene.

1 INTRODUCCIÓN [1] Elementos que pueden tener un gran número de estructuras diferentes con diferentes diferentes propiedades físicas. [2] Capacidad de algo o alguien de adaptarse con rapidez y facilidad a distintas funciones. [3] Todas las propiedades macroscópicas se mantienen sin cambio al pasar el tiempo. [4] (1749 o 1750-1817) Fue un científico alemán. [5] Químico y profesor universitario estadounidense estadounidense galardonado con el Premio Nobel de Química del año 1996.

Fig. 1

Alótropos del Carbono

En décadas recientes el estudio del carbono ha revelado numerosas aplicaciones potenciales consecuencia de la síntesis de tres nuevos alótropos nanométricos de carbono. En 1985, los químicos Robert Curl [5], Richard E. Smalley y Harry Kroto encontraron la molécula de carbono en forma de balón de futbol. Seis años después, en 1991, Sumio Ijima identificó la red de panal cilíndricamente ensamblada formada por carbonos, material denominado nanotubo de carbono. En realidad se conoce de la existencia de grafeno hace más de medio siglo. El enlace químico y la estructura del grafeno se describieron durante la década de 1930, mientras la estructura de bandas electrónicas fue calculada por primera vez por Wallace en 1949.

Fig. 2 Andre Geim (izquierda) y Konstantin Novoselov (derecha) premiados con el Premio Nobel de Física de 2010, “por sus experimentos innovadores en el material bidimensional llamado grafeno”.

3 ESTRUCTURA DEL GRAFENO El grafeno es una mono capa de átomos de carbono, con la estructura hexagonal de las capas que forman el grafito tridimensional. En este sentido, al grafeno se le ha definido como hidrocarburo aromático poli cíclico [6], infinitamente alternante de anillos de sólo seis átomos de carbono. La molécula más grande de este tipo contiene 222 átomos de carbono o 37 unidades de benceno [7], separadas.

Aunque se han llevado a cabo diferentes estudios dirigidos a separar un número cada vez menor de capas de grafeno a partir de grafito, el impulso definitivo en el estudio de los grafenos se produjo en 2004 cuando Andre Geim y el que fuera su alumno de doctorado, Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, pudieron obtener una red de panal bidimensional formado por átomos de carbono, el tan llamado grafeno, a partir de grafito mediante un proceso de exfoliación mecánica. El proceso es muy simple y consistió en la exfoliación de láminas de grafeno mediante el uso de una cinta de celofán, permitiendo, así, un acceso fácil a este material en el que se han depositado tantas expectativas. El nombre de este último se debe al hecho de que el grafito, una estructura cristalina tridimensional, se forma por el el apilamiento de estas redes bidimensionales. El grafeno era una pieza que faltaba en el mapa de los alótropos de carbono. La palabra grafeno fue oficialmente adoptada en 1994. El descubrimiento de esta estructura del carbono ha sido de nuevo motivo de un premio Nobel, en este caso el de Física de 2010 para Geim y Novoselov.

Fig. 3 Láminas de Grafeno

4 PROPIEDADES DEL GRAFENO El grafeno es un material con propiedades únicas, la que lo vuelven un material especialmente atractivo, tanto desde el punto de vista de la investigación fundamental como por sus posibles aplicaciones. Sus bandas electrónicas lo definen como un semimetal, en una situación intermedia entre los metales convencionales y los aislantes.

[6] Es un compuesto orgánico que se compone de anillos aromáticos simples que se han unido, y no contiene heteroátomos ni lleva sustituyentes. [7] Hidrocarburo aromático de fórmula molecular C6H6l

4.1 Conductor

Las propiedades metálicas o aislantes de un material vienen determinadas por la posición del nivel de Fermi ( ) 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. El grafeno es un material fuera de lo común. Sus propiedades electrónicas lo sitúan adelante de los otros metales y semiconductores. Fig. 4 Bandas electrónicas solapadas. No hay brecha energética. Los electrones por debajo del nivel de Fermi pueden saltar a los niveles más cercanos desocupados para establecer una corriente eléctrica. Un tipo de portador de carga: electrones. Fig. 5 Bandas electrónicas en forma de diábolos el vértice del cono superior se junta con el del inferior justo en el nivel de Fermi. No hay brecha energética. Los electrones pueden pasar fácilmente del cono inferior al superior. Dos tipos de portadores de carga: electrones y huecos. Fig. 6 Bandas electrónicas separadas por una brecha energética lo bastante pequeña para que los electrones la superen y pasen de la banda de valencia a la de conducción. Dos tipos de portadores de carga: electrones y huecos.

Fig. 7 Bandas electrónicas separadas por una brecha energética demasiado grande para que los electrones pasen a la banda de conducción. No puede establecerse una corriente eléctrica.

Además de sus excelentes propiedades de transporte electrónico ya descritas, podemos destacar: Es muy flexible Es transparente Auto enfriamiento Elasticidad y dureza elevadas. Soporte de radiación ionizante. [8] Gran ligereza, como la fibra de carbono, pero más flexible. Menor efecto Joule: se calienta menos al conducir los electrones. Para una misma tarea que el silicio, menor consumo de electricidad. Generación de electricidad al ser alcanzado por la luz. Razón Superficie/Volumen muy alto, lo que le otorga un buen futuro en el mercado de los supe condensadores. Se puede dopar introduciendo impurezas para cambiar su comportamiento primigenio de tal manera que se pueda hacer que no repela el agua o que incluso mejore todavía más la conductividad. Cuando una lámina de grafeno recibe algún daño que quiebra su estructura produciendo un agujero consigue atraer átomos de carbono situados en las proximidades para así reparar los huecos (se auto repara). Otras propiedades interesantes desde el punto de vista teórico Comportamiento como cuasipartículas [9] sin masa de los electrones que se trasladan sobre el grafeno. Son los denominados fermiones de Dirac [10] , que se mueven a velocidad constante, de manera independiente de su energía (como ocurre con la luz), en este caso a unos 106 m/s. A este respecto, la importancia del grafeno consiste en que propicia el estudio experimental de este comportamiento, predicho teóricamente hace más de 50 años. Efecto Hall cuántico [11], por el cual la conductividad toma valores discretos, o cuantizados. Esto permite medirla con suma precisión. La cuantización implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser nula (su valor mínimo depende de la constante de Planck [12] y de la carga del electrón).

[8] Radiaciones con energía suficiente para ionizar l a materia, extrayendo los electrones de sus estados ligados al átomo. [9] Entidad de tipo particular que es posible identificar en ciertos sistemas físicos de partículas interaccionando. [10] No son estados propios del operador de conjugación de carga, y por tanto, tiene una carga eléctrica de signo contrario a la de su correspondiente antipartícula. [11] Medición del voltaje transversal en un conductor cuando es puesto en un campo magnético. [12] Relación entre la cantidad de energía y de frecuencia asociadas a un cuanto o a una partícula elemental.

Transparencia casi completa y densidad tal que ni siquiera los átomos de helio, que son los más pequeños que existen sin combinar en estado gaseoso, podrían atravesarlo. Aunque no deja pasar el helio, sí permite paso al agua: en un recipiente de grafeno cerrado se evapora prácticamente a la misma velocidad que si estuviese abierto. Estas propiedades prometen ya mucho telecomunicaciones, almacenamiento electrónica, dysplays y deja abierta la transformar la concepción misma en la muchas otras áreas.

en campos de de energía, posibilidad de que se basan

5 MÉTODOS DE OBTENCIÓN Se está trabajando en el desarrollo de variados métodos para obtener el grafeno, con el fin de conseguir una técnica viable para la producción a gran escala.

el momento en ningún líquido y obtenida por cualquier método.

6 APLICACIONES Las aplicaciones del grafeno son muy variadas, sus propiedades pueden emplearse para mejorarse muchas tecnologías actuales. A continuación un resumen de las aplicaciones del grafeno más prometedoras y en las que se actualmente se dedica más trabajo. Transistores [13] Uno de los postulados más conocidos en el mundo de la electrónica es la Ley de Moore, un enunciado en 1965 que dice que cada dos años se duplicara el número de transistores que se insertarían en los circuitos integrados, algo que se ha seguido cumpliendo prácticamente hasta nuestros días. La realización de transistores más pequeños, nos ha permitido aumentar la capacidad de proceso de nuestros circuitos integrados, sin embargo, la miniaturización comenzaba a ser un problema hoy en día. Una de las soluciones que más se barajan en el campo de la microelectrónica es el uso de nuevos materiales que puedan complementar al silicio para poder traspasar esta barrera, por ejemplo el grafeno. El Grafeno. Propiedades y Aplicaciones. 9

Fig. 8 exfoliación mecánica 5.1 Exfoliación mecánica

El grafeno en estado libre fue obtenido por vez primera, en 2004 mediante exfoliación micro mecánica. Es una sencilla técnica, y es necesario contar con una superficie pura de grafito, el cual está constituido por varias capas superpuestas de grafeno débilmente unidas. El método consiste en someter al grafito a un raspado fino y luego extraer hojuelas extremadamente delgadas al descascarar repetidamente utilizando cinta adhesivo. La mayor parte de las hojuelas obtenidas por este método son tridimensionales, es decir grafito; sin embargo entre estas se consiguen también bidimensionales, grafeno. Este primer proceso es muy rudimentario.

5.2 A partir de nanotubos

Es un Método experimental para la producción de cintas de grafeno que consisten en cortar los nanotubos.

5.3 A partir de grafito por sonicación

Consiste en la dispersión de grafito en un medio liquido adecuado que luego se sonifico (agitar partículas con ondas sonoras). El grafito no exfoliado es finalmente separado del grafeno por centrifugación. Se ha conseguido con este método las concentraciones más altas de grafeno informadas hasta

Fig. 9. Esquema de un dispositivo donde un nano cable actúa como gate en un transistor de grafeno. Podría ser un material útil para transistores de alto rendimiento, ya que lleva electrones más rápido que el silicio [14]. Dado que los transistores de grafeno no pueden ser apagados, son más útiles para aplicaciones de radio frecuencia (RF) que para circuitos lógicos. Pero transistores de alto rendimiento de grafeno no se puede hacer usando técnicas estándares de fabricación. Se han desarrollado métodos especializados y conseguido compatibilidad con los métodos industriales. El rendimiento de estos transistores, depende de la calidad de la grafeno. Cuando el grafeno fue hecho por deposición de vapor se ha conseguido un transistor con

[13] Dispositivo electrónico semiconductor utilizado para producir una señal de salida en respuesta a otra señal de entrada. [14] elemento químico metaloide.

una frecuencia de corte de 427 GHz, hasta ahora la frecuencia más alta para un transistor. Baterías En esta área gracias a su conductividad el grafeno entra para disminuir los tiempos de carga y descarga de baterías. Se ha desarrollado un nuevo ánodo basado en grafeno que puede ser cargado o descargado 10 veces m as rápido que los ánodos de grafito que se utilizan actualmente en las baterías de litio.

Un panel táctil resistivo comprende un sustrato conductor, un dispositivo de cristal líquido (LCD) panel frontal, y una TCF. Cuando se presiona la pantalla el panel frontal entra en contacto con el posterior TC y las coordenadas del punto de contacto son calculadas dado los valores de se resistencia. Son fundamentales algunas propiedades mecánicas de los materiales que la componen, incluyendo fragilidad y resistencia al desgaste, alta resistencia química, no toxicidad, además de los costos de producción. Las limitaciones de ITO son el costo, fragilidad, resistencia al desgaste y durabilidad química. Al igual que en los OLEDs el grafeno (GTCFs) se presenta como un TCF más conveniente dada su exibilidad y robustez. Las pantallas táctiles capacitivas consisten básicamente en un aislante tal como vidrio, recubiertas con ITO. Ya que el cuerpo humano es un conductor, al tocar la superficie de la pantalla se puede medir un cambio en la capacitancia (campo electroestático). Aunque las pantallas táctiles capacitivos. Los esfuerzos mecánicos que sufre son menores con respecto a los resistivos, el uso de GTCFs puede mejorar el rendimiento y reducir los costes.

Fig. 10. Esquema de la batería Ni-Fe mejorada con capas de grafeno Las principales ventajas de las baterías mejoradas residen en su habilidad y en su velocidad de carga y descarga. En general, es útil como respaldo de otras baterías o de cualquier aparato eléctrico que pueda requerir de una gran carga en muy poco tiempo. Su único problema es que pierden en torno a un 20% de su capacidad tras 800 ciclos de carga y descarga. Esto, que no es tan grave en otro tipo de baterías más lentas, puede ser el principal impedimento para que esta nueva tecnología se asiente. Pantallas Táctiles El empleo de pantallas táctiles ha tenido una gran difusión en estos últimos años, los encontramos teléfonos celulares, cámaras digitales y donde el teclado y el ratón no satisfacen la interacción del usuario con el contenido de la pantalla. Las pantallas táctiles más comunes son la resistiva y capacitiva.

Fig. 11. Esquemáticos de pantallas táctiles capacitivas (izq.)y resistivas (der.)

Fig. 12. "Tablet del futuro" presentada por Samsung publicitando aplicaciones futuras. Súper capacitores Un gran avance en el desempeño de los capacitores ha sido alcanzado con el desarrollo de un dispositivo que puede almacenar tanta energía como una batería y es capaz de recargarse en segundos.

viceversa.

Fig.13 Gráfica de relación ente capacitancia relativa vs volumen. El supe capacitor basado en grafeno puede almacenar tanta energía por unidad de masa como las baterías de níquel metal hidruro y podrían ser usadas algún día para proporcionar energía a aparatos diversos como teléfonos móviles, cámaras digitales y micro vehículos eléctricos. Con la gran área de superficie de sus electrodos [15] y el espacio extremadamente pequeño que hay entre estos pueden almacenar una gran cantidad de carga eléctrica en un pequeño volumen. El nuevo dispositivo tiene electrodos hechos de grafeno mezclado con un negro de acetileno llamado Súper P que actúa como un aditivo conductor y un aglutinante que mantiene todo unido. La mezcla resultante se cubre dentro de la superficie de un colector de corriente y es ensamblado en forma de capacitores del tamaño de una moneda. La energía puede ser almacenada por unidad de peso es de 85.6 Wh/kg a una temperatura regular de 20 a 30 grados Celsius, mientras que a 80 grados Celsius el valor medido fue de 136 Wh/kg, el cual es comparable a las baterías Ni-mh. La mayor ventaja de esta tecnología es que los supe capacitores pueden ser recargados en unos cuantos segundos en lugar de minutos como en el caso de las baterías, lo que constituye un gran avance tecnológicamente hablando.

6 ENFOQUE NACIONAL El profesor catedrático investigador ecuatoriano Juan Carlos Idrobo dice que el grafeno es el material que puede transformar la luz en energía eléctrica y

Fig. 14 Investigador ecuatoriano Juan Carlos Idrobo

Este profesor ecuatoriano con la ayuda de científicos del Oak Ridge National La ORLN boratory (ORLN ) en estados unidos, están dedicados a la creación de antenas a partir de átomos de grafeno con átomos de silicio, en donde está creada a partir de átomos de silicio que están dentro de la estructura molecular del grafeno, claro quitándoles dos moléculas de carbono del grafeno. Estos dispositivos construidos son muy capaces de transmitir datos de un lugar a otro, esto se debe por la capacidad de poder transformar la luz en energía y viceversa, todo esto se logró comprobar con la ayuda de un microscopio de electrones que tiene ORLN. En otras palabras lo encontrado por los científicos estadounidenses, dirigidos por el científico Ecuatoriano es nada más ni nada menos son unas especies de antenas capaces de transformar la luz en energía eléctrica y viceversa. Los investigadores lograron encontrar el cómo convertir una señales ópticas en señales eléctricas, dentro de los varios experimentos realizados por el científico ecuatoriano y los demás científicos estadounidenses es que al incrustar dos pequeños átomos de silicio dentro del grafeno, con estos componentes pueden formar un pequeño conductor, en donde sería capaz de convertir la luz en una señal electrónica, transmitir la señal, y luego transformarla nuevamente en una señal de luz. Los que se puede realizar con estos descubrimientos es que puedes crear un chip de grafeno mucho mejor que uno de silicio y también construir conductores muy pequeños.

7 CONCLUSIÓN El grafeno por las propiedades que exhibe ha despertado un enorme entusiasmo en los investigadores y empresarios para producirlo a escala industrial. Están ya muy bien encaminadas aplicaciones en electrónica,

computación, energía, entre otras áreas. Ya se ha comprobado que superan por amplio margen a materiales empleados hoy día en diversas ramas tecnológicas en lo que respecta a su eficiencia y economía de consumo de energía. El camino por recorrer es largo aun pero gracias al interés científico e industrial se está avanzando rápidamente y se lo describe como el material del futuro.

9 BIBLIOGRAFÍA [1] TRANSPORTE ELECTRÓNICO EN GRAFENO CON DESORDEN,PRESENTA: José Eduardo Barrios Vargas,Instituto de Física,Octubre 2012 [2] El Grafeno. Propiedades y Aplicaciones. Carlos Jorge Saldivar Larré,Facultad de Ciencias y Tecnologías,Universidad Católica Nuestra Señora de Asunción,Asuncion, Paraguay, [email protected], [3] Investigación y ciencia septiembre 2010 Francisco Guinea [4] Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, Consejo Superior de Investigaciones Científicas, Sor Juana,Inés de la Cruz 3. 28049 Madrid Claramaria Rodriguez Gonzélez, Oxana Vasilievna Kharissova,Facultad dc Ciencias Fisico-Matemeiticas, UANL [5]http://www.ecuadorinmediato.com/index.php?module =Noticias&func=news_user_view&id=171381&umt=cient ifico_ecuatoriano_dirige_equipo_estadounidense_que_l ogro_crear_antenas_con_grafeno_y_silicio