DISPERSION DE OXIDO DE GRAFENO SOBRE SUSTRATOS

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1 DISPERSION DE OXIDO DE GRAFENO SOBRE SUSTRATOS Sergio Enríquez Salinas 1, Juan Méndez Ramírez 1,2 1 Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán. Km carretera Toluca- Atlacomulco, Ejido San Juan y San Agustín, C. P Estado de México. 2 Universidad Autónoma del Estado de México, Unidad Profesional Académica de Atlacomulco. Km. 60 Carretera Toluca-Atlacomulco Atlacomulco, Estado de México RESUMEN Utilizamos la técnica de Humers Modificada con la finalidad de obtener Óxido de Grafeno (OG), el OG obtenido es dispersado en un medio acuoso mediante ultrasonido vigoroso, para posteriomente someterlo a un tratamiento termico en un horno de microondas convencional, este tratamiento térmico nos permite obtener un polvo negro, las muestra obtenida es caracterizada mediante espectroscopía Raman, FTIR y SEM, lo que indica que efectivamente obtenemos oxido de grafeno reducido, se realiza una suspension del OGr en medio y se agrega sobre un sustrato de vidrio para formar una pelicula delgada de óxido de grafeno reducido. INTRODUCCIÓN El carbono, un elemento ampliamente investigado, presenta diversas estructuras alotrópicas; el fullereno (0D), los nanotubos de carbono (1D), el grafito (3D), el diamante (3D), y el Grafeno (2D) forman parte de estas estructuras. A partir de grafito convencional, obtenemos oxido de Grafeno reducido (OGR). Se sabe que el carbono se presenta en formas diversas, las más comunes son en sólidos negros (coque, grafito) pero también se puede presentar como el cristalino y duro diamante. Además del carbón vegetal. Últimamente se han desarrollado un amplio rango de polímeros sintéticos, debido, principalmente, a la aparición de nuevas tecnologías biomédicas. El óxido de grafeno reducido se estabiliza en una solución acuosa, para posteriormente ser depositado sobre un sustrato, las aplicaciones potenciales son: Revestimientos, compósitos, capas conductoras transparentes, almacenamiento de energía, bio-aplicaciones, nano-electrónica, capas conductoras transparentes, sensores y otros dispositivos electrónicos. El método de obtención, consiste en depositar y separar unas hojuelas de grafito sobre un sustrato hasta obtener capas cada vez más finas de grafito, apareciendo en algunos casos capas de grafito de espesor de un átomo. Reducción térmica: En las primeras etapas de investigación sobre el Grafeno, se utilizaron calentamientos rápidos (> 2000 ºC/min) generalmente para exfoliar el óxido de grafito y así obtener Grafeno. El mecanismo de exfoliación es

2 principalmente la expansión repentina de los gases de CO o CO2 moviéndose en los espacios entre las capas de Grafeno durante el calentamiento rápido del óxido de grafito. El gran aumento de temperatura hace que el oxígeno que contiene los grupos funcionales unidos en el plano del carbono se descomponga en gases creando una enorme presión entre las capas apiladas. Las hojas exfoliadas pueden ser llamadas oxido de Grafeno altamente reducido o Grafeno químicamente modificado. Un efecto notable de la exfoliación térmica es el daño estructural de las hojas de Grafeno causados por la liberación de monóxido y dióxido de carbono. Aproximadamente el 30% al 50% de la masa del óxido de grafito se pierde durante el proceso de exfoliación, dejando en las hojas defectos en toda la red. Los defectos inevitablemente afectan las propiedades electrónicas del producto al disminuir la longitud de la trayectoria del transporte. Como resultado de ello, la conductividad eléctrica de las hojas de Grafeno químicamente modificado tiene un valor típico de S/cm, que es mucho menor que la de Grafeno perfecto, lo que indica un menor grado de reducción y de restauración de la estructura electrónica y orden cristalino 2D de las hojas de Grafeno. Wang et al. (2008) calentaron películas delgadas de GO a diferentes temperaturas y mostraron que la conductividad eléctrica de la película del RGO a 500 ºC fue de sólo 50 S/cm, mientras que para temperaturas de 700 ºC y 1,100 ºC se obtuvieron conductividades de 100 S/cm y 550 S/cm respectivamente. Además de la temperatura de calentamiento, también la atmosfera que se tiene durante el calentamiento es importante para la reducción del GO por tratamiento térmico. Wu et al. reportarón que el GO puede reducirse a 450 ºC durante 2 h en una atmosfera de Ar/H2, obteniendo una relación atómica C/O de 14.9 y una conductividad eléctrica de 1,000 S/cm. Basándose en los resultados anteriores, la reducción del GO por calentamiento a altas temperaturas es muy eficaz. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Primeramente partimos de la obtención de grafito convencional y poder producir una mezcla con diferentes componentes diluida en una solución de hidróxido de sodio a 2 M, y posteriormente obtener un ph neutron con un valor de 6 a 7 para poder decantar y secar la sustancia que pretendemos obtener al filtrar la sustancia a obtener es el óxido de grafeno el cual es un material que podemos ocupar de muchas maneras y otorga diferentes propiedades a los materiales en los cuales se pretende aplicar que en este caso es sobre sustratos. Óxido de grafeno (Obtencion) Para empezar tenemos las siguientes sustancias: Grafito 2 gr 1 gr de NaNO2 6 gr permanganato de potasio 46 ml de ácido sulfúrico Después se preparó vaso precipitado el hielo el cual funciona como un baño frio para mantener la temperature, ya que se produce una reacción exotérmica, agregamos NaNO2 y se deja pasar por 5 minutos después se le agrega H2SO4 poco a poco ya teniendo la mezcla se mantuvo en constante agitación por 5 minutos hasta alcanzar los 20ºC, después se le agrego el grafito hasta llegar al punto que la mezcla sea homogenea, se saca del baño frio y se calienta la mezcla hasta llegar a los 40ºC sin dejar la agitación, agregamos H2O destilada lentamente y dejar elevar la temperatura hasta 140ºC después se deja enfriar. Por último se prepara una solución al 3% (72 ml de H2O destilada y 8 ml de

3 peróxido). Se le agrega la solución lentamente y con agitación constante, se observá una mezcla cafe obscura. Esta solución se centrífuga para lacanzar un ph neutro de 6 o 7 y se obtiene una pasta negra. Método de reducción del óxido de Grafeno: El proceso de reducción se encuentra entre las reacciones más importantes del oxido de grafeno debido a las similitudes que existen entre el Oxido de grafeno reducido y el Grafeno prístino. La reducción del oxido de grafeno lo obtuvimos por vía térmica mediante una dispersion de la pasta anterior en agua destilada mediante baño ultrasónico y con dimetil acetamida como redactor, posteriomente usamos un horno de microondas convencional y obtenemos un polvo negro completamente. Un efecto notable de la exfoliación térmica es el daño estructural de las hojas de Grafeno causados por la liberación de monóxido y dióxido de carbono. Aproximadamente el 30% al 50% de la masa del óxido de grafito se pierde durante el proceso de exfoliación, dejando en las hojas defectos en toda la red. Los defectos inevitablemente afectan las propiedades electrónicas del producto al disminuir la longitud de la trayectoria del transporte. Como resultado de ello, la conductividad eléctrica de las hojas de Grafeno químicamente modificado tiene un valor típico de S/cm, que es mucho menor que la de Grafeno perfecto, lo que indica un menor grado de reducción y de restauración de la estructura electrónica y orden cristalino 2D de las hojas de Grafeno. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización: Usamos la técnica de Espectroscopía Raman para caracterizar al grafito convencional el cual utilizamos como precursor, al Óxido de Grafeno y al óxido de Grafeno reducido, primero comparamos el grafito precursor que utilizamos con grafito pirolítico altamente orientado (Figura 2a). El espectro Raman del óxido de Grafeno incluye el pico G localizado a 1580 cm -1 causado por la vibración óptica en el plano (E2g), el pico D aumenta en intensidad y anchura, localizado a 1350 cm -1 es debido a una primer zona de fonones circundantes y asociado a la introducción de defectos (Figura 2b), la figura 2c muestra un crecimiento en la intensidad del pico D y en su anchura, lo cual indica que la muestra es oxido de Grafeno reducido, el incremento en la anchura es debido a los defectos que se introducen en las capas de grafeno. Una vez obtenida una suspensión acuosa de GO, ésta se deposita sobre sustratos de vidrio funcionalizados, con el objetivo de medir las propiedades del sustrato dopado con oxido de grafeno, en particular la conductividad eléctrica. 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 duplicará el número de transistores que se insertarán en los circuitos integrados, algo que se ha seguido

4 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 con tamaños que hacen aflorar inestabilidades en el silicio. 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. Podría ser un material útil para transistores de alto rendimiento, ya que lleva electrones más rápido que el silicio. Dado que los transistores de grafeno no pueden ser apagados, son más útiles para aplicaciones de radio frecuencia (RF) que para circuitos lógicos. En el área de las baterías, 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 más rápido que los ánodos de grafito que se utilizan actualmente en las baterías de litio. En esta parte de la investigación estamos depositando oxido de grafeno sobre sustratos y analizando los mismos en MEB para ver el tamaño y mofología. CONCLUSIONES Hemos obtenido óxido de grafeno reducido aunque con el tratamiento químico y térmico las se han introducido anomalias a las capas de grafeno, el OGr fue dispersado en un medio acuoso y depositado en un sustrato de vidrio, se observa una pel{icula delgada del material en el sustrato, falta medir la conductividad y el tamaño del mismo para su implementación es diferentes tipos de sustratos, con la finalidad de usarlos en dispositivos semiconductores mas eficientes que los actuales de silicio REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. E.H.L. Falcao, and F. Wudl, (2007). Carbon Allotropes: beyond graphite and diamond, Journal Chemical Technology Biotechnology, 82, Gabrysch, (2008). Electronic Properties of Diamond, Uppsala University, Suecia, 58p. 3. H.O. Pierson, Handbook of Carbon, Graphite, Diamond and Fullerenes, Noyes Publications, Estados Unidos, 399p. (1993).

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