Fuente: Hari Manoharan / Stanford University

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1 Fuente: Hari Manoharan / Stanford University

2 GRAFENO: FÍSICA Y APLICACIONES TECNOLÓGICAS EN DOS DIMENSIONES YENNY HERNÁNDEZ

3 Grafeno: física y aplicaciones tecnológicas en dos dimensiones Yenny Hernández Ph. D. Profesora asistente del Departamento de Física de la Universidad de los Andes, yr.hernandez@uniandes.edu.co Cada cierto tiempo mentes curiosas nos muestran que las preconcepciones que teníamos sobre cómo funciona la naturaleza están erradas o simplemente no nos permiten ver fenómenos físicos interesantes a nuestro alrededor. En ciencias, a estas preconcepciones las llamamos paradigmas, y estos nos permiten por cierto tiempo tener un orden o un método, si se quiere para abordar un problema científico. Alguien alguna vez dijo que no se llegó a la bombilla eléctrica haciéndole pequeñas mejoras a una vela. Se necesitó investigación básica y mentes curiosas para llegar a un desarrollo que cambió la forma como iluminamos nuestros hogares. En ciencia hay muchos ejemplos de cambios de paradigmas, incluyendo la teoría de la relatividad de Einstein, y más recientemente el descubrimiento de los cuasicristales y el grafeno. En el caso de los cuasicristales, el científico Dan Shechtman observó en el microscopio electrónico cristales ordenados no periódicos [1]. Su descubrimiento le hizo merecedor de burlas de sus colegas, pues renombrados científicos, así como los libros de texto, afirmaban que este tipo de materiales no podían existir en la naturaleza. Sin embargo, otros científicos en diversas partes del mundo empezaron a corroborar las observaciones de Shechtman [2], lo que lo hizo merecedor del Premio Nobel de Química en el año Cabe mencionar que la definición de qué es un material cristalino debió ser revisada y actualizada en los libros de texto para que estuviera a tono con estos materiales recientemente descubiertos. El grafito es un material que está compuesto de capas hexagonales de carbono superpuestas. A cada una de estas capas la llamamos grafeno, y por muchos años hemos sabido aprovechar el hecho de que estas se deslizan con relativa facilidad entre sí para utilizar el grafito como material lubricante o simplemente para escribir en una hoja de papel. La posibilidad de aislar una sola capa de grafeno de un cristal de grafito era considerada imposible, pues cálculos teóricos predecían que sería termodinámicamente inestable y que rápidamente colapsaría en una estructura curva [3]. En el año 2004, los profesores Andre Geim y Konstantin Novoselov, de la Universidad de Manchester, reportaron la observación de una capa de grafeno estable a temperatura ambiente [4]. El método de preparación que utilizaron para obtener grafeno se llamó de delaminación mecánica y simplemente consiste en quitar repetidamente capas de un cristal de grafito con cinta pegante hasta llegar a una sola capa. Geim y Novoselov lograron identificar el grafeno utilizando un microscopio óptico, lo que también fue revolucionario, pues mate- 68 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 14, mayo del 2013

4 Figura 1. Delaminación mecánica de grafito para obtener grafeno ( Scientific American) riales con grosores de menos de un nanómetro generalmente solo pueden observados con microscopios electrónicos o de fuerza atómica. Tabla 1. Algunas propiedades físicas del grafeno Grafeno Otros materiales Aunque el trabajo de Geim y Novoselov fue rechazado en varias ocasiones por reconocidas revistas científicas, cuando fue publicado no fue recibido con resistencia, como ocurrió con el trabajo de Shechtman. La curiosidad que en el mundo de la física causó un material que puede ser aislado con cinta pegante y que puede ser observado con un microscopio óptico fue en realidad como un respiro para la ciencia experimental, cuyas técnicas de preparación y caracterización de materiales avanzados son cada vez más complejas y costosas. Resistencia mecánica Transporte térmico Transporte eléctrico Propiedades ópticas Módulo de Young [7] Y = 1 TPa Resistencia intrínseca = 1 GPa Acero Y = 0,2 TPa Conductividad térmica [8] ~5.000 WmK -1 Diamante ~2.000 WmK -1 Movilidad de electrones a temperatura ambiente [9] μ = 2,5 x 10 5 cm 2 V -1 s -1 Absorción óptica de 2,3% en un rango muy ancho de frecuencias [10] Silicio μ = cm 2 V -1 s capas de oro serían necesarias para tener esa absorción óptica Desde entonces el grafeno ha causado una revolución en la física y la ciencia de materiales por sus impresionantes propiedades mecánicas, ópticas y de transporte eléctrico (tabla 1). Adicionalmente, el grafeno ha permitido realizar experimentos de electrodinámica cuántica y de física atómica y molecular para observar fenómenos como la paradoja de Klein [5], que consiste en que los electrones en grafeno pueden tunelar una barrera de potencial de cualquier característica con una probabilidad del 100%, o el colapso atómico [6], que consiste en que electrones cercanos a un núcleo con un número crítico de protones (carga positiva) son atraídos hacia el núcleo para luego emitir un positrón. Este fenómeno ha sido una pregunta abierta en física nuclear por muchos años y hasta ahora no se habián podido tener electrones lo suficientemente rápidos o núcleos lo suficientemente estables que permitieran su observación experimental. Se han desarrollado métodos químicos y físicos para la producción a gran escala de grafeno. La calidad (cristalinidad) de las muestras depende en gran medida del método usado (tabla 2). La exfoliación mecánica sigue siendo el método preferido por los físicos debido a la alta calidad de los cristales producidos. La exfoliación de grafeno en fase líquida a partir de grafito por métodos físicos [11] o químicos [12] permite obtener grafeno en grandes cantidades, lo que impulsó a los científicos de materiales a desarrollar aplicaciones como celdas de combustible, electrodos conductores y materiales reforzados. La deposición química en fase de vapor (CVD) permite la producción de capas Tabla 2. Propiedades del grafeno obtenido por diferentes métodos [14] Método Exfoliación mecánica Exfoliación química Óxido de grafeno Deposición química en fase de vapor (CVD) Crecimiento sobre SiC Tamaño del cristal (μm) Tamaño de la muestra (mm) Movilidad (cm 2 V -1 s -1 ) Aplicaciones >1.000 >1 2 x 10 5 Investigación 0,1 ~100 Puede formar grandes áreas con capas superpuestas Puede formar grandes áreas con capas superpuestas ~ Recubrimientos Tintas conductoras Películas conductoras Materiales compuestos Recubrimientos Almacenamiento de energía Películas conductoras Materiales compuestos Fotónica Nanoelectrónica Sensores Transistores de alta frecuencia Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 69

5 Marco Diafragma de grafeno 7 mm Figura 2. Algunas aplicaciones a base de grafeno recientemente desarrolladas. Izquierda: supercapacitores impresos a gran escala en un sustrato flexible para almacenamiento de energía [15]. Derecha: transductor electrostático (parlante en miniatura) a base de grafeno, que funciona en el espectro completo de frecuencias audibles (20 Hz-20 khz) [16]. de grafeno en áreas del tamaño de una pantalla de televisión [13], lo que la convierte en uno de los métodos más prometedores para el desarrollo de aplicaciones a base de grafeno en un futuro no muy lejano. Adicionalmente, es posible evaporar átomos de carburo de silicio (SiC) y obtener grafeno en áreas del tamaño de una oblea de silicio (~13 cm de diámetro) en condiciones de alto vacío y alta temperatura. Esta técnica permite producir grafeno de alta calidad, pero su montaje experimental es costoso y poco accesible a la comunidad científica en general. El rápido desarrollo del grafeno invita a soñar con aplicaciones que revolucionarán la tecnología (figura 2). Por esto es necesario ser realistas y críticos con respecto a los verdaderos alcances de este nuevo material. Pantallas táctiles que utilizan el grafeno como electrodo conductor han demostrado ser un fuerte competidor del ITO (material que utilizamos en los dispositivos actuales), por su flexibilidad, costo y durabilidad. La introducción de grafeno, sin embargo, en papel electrónico (e-paper) o en diodos orgánicos (OLED) flexibles aún tiene algunos retos, como alcanzar la reducción de la resistencia de contacto con los otros materiales utilizados y un mejor recubrimiento de superficies, en el caso de los OLED. En el caso de los transistores de alta frecuencia, estos deben poder trabajar en el orden de los Hz (THz), valor que aún no se ha alcanzado experimentalmente. Estos desafíos, sin embargo, no han detenido a los científicos e ingenieros en la obtención de patentes para futuras aplicaciones. La competencia mundial es liderada por China (figura 3), aunque es importante anotar que en Corea, Samsung está haciendo grandes avances para lo que ellos proyectan como un futuro de electrónica flexible (Samsung posee un total de 407 patentes en grafeno). IBM, en Estados Unidos, un poco más centrada en el desarrollo de electrónica de alta frecuencia, tiene hasta ahora un total de 134 patentes en grafeno, lo que hace de ella el segundo competidor industrial después de Samsung. Permite esto suponer que aplicaciones a base de grafeno llegarán a nosotros más pronto de lo que pensábamos? Muy probablemente no. En la industria, la competencia por las patentes es fuerte, y muchas veces improductiva. La mayoría de las patentes no traen dividendos económicos, pero el hecho de que el número sea alto significa que algunas lo harán. Esto también es muestra de la brecha que aún existe entre la Academia y la industria. Los efectos físicos observados en grafeno nos seguirán asombrando por muchos años, y la industria tendrá que aprender un poco de física para explotar el verdadero potencial de este material. Es sorprendente ver cómo el Reino Unido, país que le dio vida al grafeno en 2004, se encuentra tan rezagado en la competencia por las patentes, con 54 aplicaciones en total. Esto quizá es una muestra de que la Academia también debe aprender de la industria en términos de desarrollos tecnológicos. Ideas innovadoras en el área del grafeno podrían dar a nuestros estudiantes una opción laboral en el desarrollo de productos de alto valor agregado que aproveche el potencial en ciencia básica en ingeniería disponible. El acompañamiento de las universidades a estas empresas de base tecnológica es fundamental, y en mi opinión debe ser prioridad de los gobiernos y de las agencias de financiación. 70 Hipótesis, Apuntes científicos uniandinos, núm. 14, mayo del 2013

6 Número de patentes en grafeno China Estados Unidos Corea Reino Unido Figura 3. Número de patentes en grafeno por país ( Cambridge IP) Referencias [1] shechtman D, Blech I, Gratias D, Cahn JW. Metallic phase with long-range orientational order and no translational symmetry. Physical Review Letters 1984; 53(20): [2] unal B, Fournée V, Schnitzenbaumer KJ, Ghosh C, Jenks CJ, Ross AR et al. Nucleation and growth of Ag islands on fivefold Al- Pd-Mn quasicrystal surfaces: dependence of island density on temperature and flux. Physical Review B 2007; 75(6): [3] Katsnelson MI, Geim AK. Electron scattering on microscopic corrugations in graphene. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 2008; 366(1863): [4] novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D, Zhang Y, Dubonos SV et al. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science 2004; 306(5696), [5] Katsnelson MI, Novoselov KS, Geim AK. Chiral tunnelling and the Klein paradox in graphene. Nature Physics 2006; 2: [6] Wang F, Travins J, De la Barre B, Schalm S, Hansen E, Straley K et al. Targeted inhibition of mutant IDH2 in leukemia cells induces cellular differentiation. Science 2013; 4 de abril. [7] lee C, Wei X, Kysar JW, Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science 2008; 321(5887): [8] balandin AA. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials. Nature Materials 2011; 10(8): [9] mayorov AS, Gorbachev RV, Morozov SV, Britnell L, Jalil R, Ponomarenko LA et al. Micrometer-scale ballistic transport in encapsulated graphene at room temperature. Nano Letters 2011; 11(6): [10] nair RR, Blake P, Grigorenko AN, Novoselov KS, Booth TJ, Stauber T et al. Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science 2008; 320(5881): [11] Hernández Y, Nicolosi V, Lotya M, Blighe FM, Sun Z, De S et al. High-yield production of graphene by liquid-phase exfoliation of graphite. Nature Nanotech 2008; 3(9), [12] stankovich S, Dikin DA, Dommett GHB, Kohlhaas KM, Zimney EJ, Stach EA et al. Graphene-based composite materials. Nature 2006; 442(7100): [13] bae S, Kim H, Lee Y, Xu X, Park J-S, Zheng Y et al. Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes. Nature Nanotech 2010; 5(8): [14] novoselov KS, Falko VI, Colombo L, Gellert PR, Schwab MG, Kim K. A roadmap for graphene. Nature 2012; 490(7419): [15] el-kady MF, Kaner RB. Scalable fabrication of high-power graphene micro-supercapacitors for flexible and on-chip energy storage. Nature Communications 2013; 4(1475). [16] zhou Q, Zettl A. Electrostatic graphene loudspeaker. Disponible en Universidad de los Andes, Facultad de Ciencias 71