Grafeno Material Del Futuro

Grafeno: un paso hacia el futuro

e. martínez-guerra*,**, m. e. Cifuentes-Quintal*

y r. De Coss*

Resumen. Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha generado una gran expectativa para

Sustituir la tecnología actual basada en silicio. En este trabajo, discutimos de manera simple cuáles

Son las propiedades que sustentan esta expectativa. En particular, nos referimos a las propiedades

Electrónicas y de transporte que se pueden aprovechar en dispositivos de alta velocidad. Además,

Presentamos una comparación (teoría y experimento) de las cantidades físicas que deben ser

Controladas antes de diseñar esta clase de dispositivos: dispersión de energía, velocidad de Fermi

Y masa ciclotrónica. Finalmente, proyectamos algunas formas de modular estas cantidades.

ImpoRtancIa de dIvu lgacIón. El grafeno es sin duda un material que revolucionará la tecnología actual.

Sin embargo, a casi 5 años de su descubrimiento, en México hay muy pocos grupos de investigación

Que lo estudian en forma experimental y teórica. Estamos convencidos que es fundamental

Interesar a jóvenes de bachillerato y estudiantes universitarios en la investigación básica y aplicada

De este material si queremos que nuestro país no se quede al margen de las próximas innovaciones

Tecnológicas, como ya le ocurrió a la generación del silicio.

Introducción

En marzo del 2007, asistimos a la reunión anual de la Sociedad Americana de Física, en Denver, EUA, y entre pasillos escuchamos que se había sintetizado un nuevo material

Llamado “grafeno” que, como el silicio, vendría a revolucionar la industria y la tecnología de nuestra generación. Preguntamos a quienes discutían sobre este descubrimiento,

Qué clase de material era éste y nos contestaron: “es simplemente una membrana de carbono del espesor de un átomo”. ¿Qué características volvían tan especial

A esta membrana si está formada solamente de átomos carbono? La respuesta

Se encuentra en su estructura cristalina y baja dimensionalidad. Es conocido que el carbono tiene una gran capacidad para formar redes complejas con otros elementos,

Lo cual ha sido la base de la química orgánica y de la existencia de vida en nuestro planeta. Asimismo, se sabe que el carbono elemental forma una variedad de estructuras

De distinta dimensionalidad desde las más estables como el diamante y el grafito

(3D) descubiertas hace mucho tiempo hasta compuestos de baja dimensionalidad como los fulerenos (0D) (kroto et al., 1985) y los nanotubos (1D) (Ijima, 1991). En esta secuencia de dimensionalidad faltaba la estructura 2D, no obstante, a nadie le había

Interesado buscarla porque en los años treinta del siglo xx, Peierls (1934, 1935) y Landau (1937) habían demostrado teóricamente que este material era termodinámicamente

Inestable y no podía existir. Sin embargo, recientemente se ha podido sinte

*

Departamento de Física Aplicada, Cinvestav-Mérida, Apdo. Postal 73, Cordemex 97310, Mérida, Yucatán, México.

** Facultad de Ciencias Físico-Matemáticas, uanl, Av. Universidad s/n. Cd. Universitaria 66451, San Nicolás de los Garza, Nuevo León, México.

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tizar, y sus propiedades lo han convertido en el candidato ideal para sustituir la actual tecnología del silicio.

HIstorIa

En estos tiempos, uno se imagina que los grandes descubrimientos sólo se realizan

utilizando tecnología muy sofisticada, pero esto no siempre es así, éste fue el caso

del grafeno. En 2004, Andre Geim, Kostya Novoselov y colaboradores colocaron, en

la Universidad de Manchester, una cinta adhesiva sobre una muestra de grafito y la

removieron consecutivamente hasta aislar una sola capa de átomos de carbono, poniendo

fin a las predicciones de Pierls y Landau de que este material no podría aislarse

sin que las vibraciones del material a temperatura ambiente lo destruyeran. Ahora es conocido que el material es estable, porque sus vibraciones se acomodan en ondulaciones

con amplitudes de alrededor de 1 nanometro a lo largo de la membrana atómica (Carlsson, 2007; Fasolino et al. 2007; Geim y Novoselov, 2007) Estas ondulaciones

son intrínsecas del grafeno y son resultado de inestabilidades vibracionales.

En la figura 1a, se muestra una imagen esquemática de la estructura de este material

y en la 1b, su imagen tomada con un microscopio electrónico de barrido. Después de algunos meses de su descubrimiento, el grupo de Geim perfeccionó el método de síntesis

original (Novoselov et al., 2005) sustituyendo la cinta adhesiva con una superficie

dura donde se deslizaban muestras de grafito. Pocos meses después, Zhang, en la

Universidad de Columbia, validaba que esta técnica era apropiada para sintetizar grafeno

de manera reproducible (figura 2) (Zhang et al., 2005) Al mismo tiempo, Walt de Heer y Claire Berger, en el Tecnológico de Georgia, desarrollaron un procedimiento de crecimiento “epitaxial” para producirlo a escala industrial (Heer et al., 2007). Así, a 4 años de su descubrimiento, se han desarrollado distintas técnicas de crecimiento tales

como: depósito por vapores químicos, reducción de SiC, reducción de N2H4 y reducción

de etanol con Na, los cuales permiten obtener muestras de mejor calidad que las técnicas originales.

fIgURA 1. a) Imagen esquemática a escala atómica del grafeno; b) imágenes de grafeno obtenidas con

un microscopio electrónico de barrido (escala de micras).

16a) b)

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fIgURA 2. a) Imagen de una muestra de grafito tomada con un microscopio electrónico de barrido

(meb); b) esquema del proceso de exfoliación del grafito para sintetizar grafeno; c) muestras de grafeno

sobre un sustrato de SiO2 y, d) dispositivo experimental de grafeno con contactos de oro para medir sus

propiedades de transporte (tomado de Zhang et al., 2004).

a)

c)

b)

d)

ProPIedades

Desde su descubrimiento en 2004 a la fecha (27 mayo 2009), se han publicado 1,842 artículos científicos con arbitraje internacional, y cada año incrementa exponencialmente

el número de citas dedicadas a entender las propiedades de este material (figura

3), pero ¿por qué tanto interés en este material? Entre sus propiedades destacan: alta calidad cristalina (~1 defecto/mm2), portadores de carga (electrones y huecos) tipo fermiones de Dirac sin masa, alta movilidad de portadores de carga (15,000 cm2/Vs a 300 K y 200,000 cm2/Vs a 4 K) y transporte balístico en la escala de 1 mm a temperatura

ambiente. Pueden mencionarse otras, pero sin duda son estas propiedades electrónicas y de transporte las que han ocupado de manera importante el quehacer

científico de los últimos años.

ProPIedades electrónIcas

Los átomos poseen electrones que se encuentran cerca de sus núcleos, así como electrones

lejos de ellos (de valencia). Los electrones de valencia logran separarse de los núcleos cuando reciben energía adicional externa. Por ejemplo, cuando se aplica un campo eléctrico a un material, estos electrones de valencia se separan de sus núcleos

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fIgURA 3. Reporte de: a) número de publicaciones y, b) citas anuales sobre grafeno (Fuente: Web of

Science, 27 de mayo 2009).

a) b)

y se convierten en electrones de conducción. En el caso de materiales constituidos por átomos que no tienen sus capas electrónicas completas, existen huecos (ausencia de electrones en la banda de valencia) que también pueden separarse de los núcleos si se les adiciona energía. Ésta es la forma en que se producen corrientes de electrones

o huecos en un semiconductor. Estos portadores de carga (electrones o huecos) de conducción colisionan entre sí, disminuyendo la velocidad a la que se mueven; sin embargo, en el grafeno, los electrones o huecos se comportan como partículas que se mueven a una velocidad constante, viajando distancias del orden de micras (1×10-6 m) sin sufrir dispersión. Este hecho determina que la movilidad de los electrones sea de alrededor de 200,000 cm2/Vs en comparación a los 140,000 cm2/Vs en el silicio y 77,000 cm2/Vs en la aleación In-Sb. Ésta es la característica más atractiva del grafeno. ¿Qué les permite moverse a los portadores de esa manera en el grafeno?, la respuesta se encuentra en su estructura electrónica, pues determina las energías características que pueden tener los portadores de carga en un material. En un material convencional,

la relación de dispersión de energía de un electrón o hueco es del tipo parabólica/

cuadrática, esto es:

donde m es la masa efectiva del portador y k su momentum. Asimismo, la velocidad de un portador está descrita por:

dE

v =

=

Em2

dk

de

...