Un paso más en el camino del Silicio al Grafeno

Los científicos han hecho un gran avance en la creación de nanocircuitos de grafeno mediante un novedoso procedimiento que consiste en un único y sencillo paso basado en una técnica que se conoce como Nanolitografía Termoquímica (TCNL). Este proceso, que  permite la creación de nanocables, manipula las propiedades electrónicas del óxido de grafeno (en una reducción a escala nanométrica) logrando que el material sea capaz de conmutar sus propiedades pasando de ser un material aislante a comportarse como un material conductor y viceversa. El grafeno ha sido ampliamente considerado como el candidato más prometedor para sustituir al silicio como elemento fundamental en la futura construcción de transistores.

La técnica funciona con múltiples formas de grafeno y está lista para convertirse en un hallazgo importante para el desarrollo y la aplicación del grafeno dentro de la industria electrónica. Los científicos que trabajan con nanocircuitos están entusiasmados porque los electrones de grafeno encuentran menos resistencia cuando se desplazan por este material en comparación con los semiconductores de silicio. Esta enorme ventaja se suma a que por estos días las construcciones de silicio son tan pequeñas como las leyes de la física lo permiten, mientras que el grafeno puede alcanzar un espesor ultra delgado ya que puede estar construido mediante una lámina de carbono de un solo átomo de espesor.

         Con el óxido de grafeno es posible crear láminas tan resistentes como el acero

Si bien la utilización del grafeno en la nanoelectrónica podría ofrecer mayores velocidades de transmisión de datos con un menor consumo de energía respecto a los semiconductores de silicio, nadie sabía hasta ahora cómo producir nanoestructuras de grafeno sobre un método reproducible o escalable. "Hemos demostrado que aplicando calor controlado (130°C) en áreas concretas de un material aislante como es el óxido de grafeno (tanto los pequeños trozos como en algunas variedades de construcción epitaxial con tamaños ubicados dentro de los niveles atómicos) hemos construido nanocables con dimensiones hasta 12 nanómetros. Incluso podemos ajustar sus propiedades electrónicas hasta hacerlo cuatro veces más conductor. Además, otro detalle alentador es que durante todo el procedimiento no hemos visto ninguna señal de desgaste de las puntas o muestras de desgarro o ruptura en los conductores", dijo Elisa Riedo, profesora adjunta en la Escuela de Física en el Instituto de Tecnología de Georgia.

                           El grafeno, sus derivados y sus características

En estructuras consideradas dentro de una macroescala, la conductividad del óxido de grafeno se puede cambiar logrando una transformación desde un material aislante hacia un material conductor mediante el uso de hornos de gran tamaño. Ahora, el equipo de investigación utilizó TCNL para aumentar la temperatura del óxido de grafeno en sus trabajos a nanoescala, de modo tal que pueden “dibujar” nanocircuitos con grafeno a 130°C, temperatura en que el material se vuelve conductor. "Lo maravilloso y bello de todo esto es que hemos ideado una técnica sencilla, robusta y reproducible que nos permite demostrar el cambio de aislante a conductor en un nanocable. Estas propiedades son el sello de una tecnología productiva", dijo Paul Sheehan, director de la Surface Nanoscience and Sensor Technology Section at the Naval Research Laboratory in Washington, DC.

El equipo de investigación hizo ensayos con dos tipos de óxido de grafeno: uno construido con carburo de silicio y el otro con polvo de grafito."Creo que hay tres cosas acerca de este estudio que hacen que se destaque", dijo William P. King, profesor asociado del departamento de Mecánica y Ciencias de Ingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign. "En primer lugar, es que todo el proceso ocurre en un solo paso. Transformas óxido de grafeno aislante en un material electrónicamente funcional mediante la simple aplicación de un nano-calentador. En segundo lugar, pensamos que cualquier tipo de grafeno se comporta de esta forma y, en tercer lugar, la escritura, deposición o dibujo es una técnica extremadamente rápida. Estas nanoestructuras pueden ser sintetizadas en una tasa tan alta que el enfoque podría ser muy útil para los ingenieros que deseen estudiar cómo diseñar nanocircuitos en un futuro muy cercano".

                        Grafeno sobre el sustrato de una juntura P-N (P-N Junction)

"Este proyecto es un excelente ejemplo de las nuevas tecnologías de construcción epitaxial que el grafeno permite explorar en la industria electrónica", dijo Walt de Heer, Regente del Profesorado en la Georgia Tech's School of Physics y el ideólogo del “grafeno epitaxial” en la electrónica. Su estudio llevó a la creación hace dos años atrás del Materials Research Science and Engineering Centre. Además sostiene que “la simple conversión de óxido de grafeno a partir de grafeno estándar es un método importante y rápido para producir cables conductores. Este método puede ser utilizado no sólo para dispositivos electrónicos flexibles, sino que además, en algún momento del futuro, los cables de grafeno podrán adquirir una bio-compatibilidad aceptable y podrían ser utilizados para medir señales eléctricas de células biológicas individuales."

Enlaces

Fuente: NRL

ARTURO LUGO-apocusant

Grafeno: El material de Dios

Las páginas de ciencia gotean cada vez con mayor profusión todo tipo de noticias relacionadas en el grafeno, un material sorprendente que parece ser capaz de sustituir a viejos conocidos de la tecnología y aumentar sus capacidades hasta límites increíbles. Esta sustancia casa idealmente con otra palabra de futuro: la nanotecnología. Gracias a ella, el grafeno se convertirá en un producto con múltiples aplicaciones que generará incontables beneficios para la sociedad. Aún se encuentra en fases iniciales de experimentación porque resulta complicado fabricarlo debido a su peculiar estructura pero las expectativas son elevadas y las esperanzas muchas. Vamos a conocer en profundidad la historia, características y posibilidades de este fascinante material.

El carbono forma parte indisoluble de nuestra propia existencia




HISTORIA

El carbono tiene la culpa de que exista la vida. Sólo por esto ya deberíamos asombrarnos por sus extraordinarias características. Pero esta es sólo una cara de las muchas que tiene este elemento fundamental de la tabla periódica. Dependiendo de cómo se distribuyan los átomos y formen diferentes estructuras, obtendremos resultados portentosos en cuanto a las peculiaridades que presenta el material. Si lo sometemos a enormes presiones y altas temperaturas, conseguimos diamantes. Si los átomos se unen en láminas planas, formando un panal de abejas hexagonal con un átomo en cada vértice y situamos muchos panales uno sobre otro, se tiene grafito (su uso más popular son las minas de los lápices).

Si se enrolla una porción de una de esas láminas en forma de esfera, como un balón de fútbol, se producen fullerenos, unas moléculas de tan gran interés que a sus descubridores se les concedió el Nobel de Química del año 1996. Finalmente, si se enrolla una lámina de esas en forma de cilindro, lo que obtenemos son los famosos nanotubos de carbono. El grafeno sería una de esas láminas extendida, con un espesor de sólo un átomo, siendo casi bidimensional, como una hoja de papel infinitamente delgada.


El jovencísimo Kostya quedará para la posteridad como el padre del grafeno



La juventud del descubrimiento de este nuevo material es impactante. Apenas hace 5 años que aparecieron los primeros estudios en la revista Science por parte de un grupo de Manchester y otro ruso, el del Dr. Kostya Novoselov, del Instituto para la Tecnología de la Microelectrónica en Chernogolovka, Rusia. En el año 2005, junto con otros investigadores holandeses e, independientemente, Philip Kim y sus colaboradores de Columbia University, exploraron algunas de las propiedades electrónicas del grafeno y lo más actual es un artículo, enviado a publicar a la revista Physical Review Letters, así como una excelente y recentísima revisión en la revista Nature Material, sobre la consecución práctica de fabricación de las membranas de grafeno de un átomo de espesor, con aplicaciones prácticas muy diversas.

El efecto Hall generador por el grafeno le hace ser un excelente semiconductor



- El grafeno, actuando como semiconductor estable y bidimensional permite que los electrones se muevan libremente por el camino que más convenga, no ceñidos a un camino recto como en los transistores convencionales basados en las capacidades semiconductoras del silicio, que es empleado para crear pequeñísimos tubos por donde fluye la corriente eléctrica. Además, al contrario que en otros sistemas bidimensionales que tengan pequeñas impurezas, en el grafeno los electrones no se pueden quedar aislados en zonas donde no puedan salir.

En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y a temperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece y todo apunta a que se podrán crear nuevos miniaturizados dispositivos electrónicos insospechados con este material, pudiéndonos acercar rápidamente a la prometedora computación cuántica, por lo que, previsiblemente toda la humanidad se verá favorablemente afectada. Aunque la realidad de sus aplicaciones no se evidenciará hasta que aparezcan los primeros productos comerciales, su importancia es ya enorme en la física fundamental porque gracias al nuevo material los fenómenos relativísticos cuánticos, algunos de ellos no observables en la física de alta energía, pueden ahora reproducirse y probarse en experimentos de laboratorio relativamente sencillos.

Su peculiar estructura desafía las leyes de la física



USOS

• Blindaje


Para que podamos hacernos una idea de la dureza del grafeno, Jaffrey Kysar y James Hone, propusieron una curiosa analogía. Comparó las pruebas realizadas por su equipo con poner una cubierta de plástico sobre una taza de café y medir la fuerza que requeriría pinchar esa cubierta con un lapicero. Pues bien, según explicó Hone, si en lugar de plástico lo que se pusiera sobre la taza de café fuera una lámina de grafeno, después situáramos encima un lápiz, y en lo alto de éste colocáramos un automóvil que se sostuviera en equilibrio sobre él, la lámina de grafeno ni se inmutaría. Se puede decir, sin duda, que el grafeno es el material más duro del mundo. Si colocamos un coche encima de la punta, no sería capaz de atravesar una lámina de grafeno


• Informática

La industria de semiconductores –uno de los campos donde el material parece ser más prometedor–, que tiene la intención de construir ordenadores mucho más rápidos que los actuales mediante el desarrollo de microprocesadores con transistores de grafeno, no cabe de júbilo con los resultados de las investigaciones que se están haciendo con el grafeno.

Precisamente uno de los principales impedimentos en la construcción de microprocesadores es la presión –según explica Julia Greer, investigadora del Instituto Tecnológico de California (Caltech)–, y los materiales usados para fabricar los transistores no sólo deben tener excelentes propiedades eléctricas, “sino que también deben ser capaces de sobrevivir a la tensión a que se ven sometidos durante el proceso de fabricación y al calentamiento generado por repetidas operaciones. El proceso utilizado para estampar conexiones eléctricas metálicas en los microprocesadores, por ejemplo, ejerce una tensión que puede provocar el fallo de los chips.”

Greer concluye que “el calor es demasiado para que los materiales lo soporten”. Pero tras las pruebas realizadas sobre la resistencia del grafeno, parece quedar demostrado que éste es capaz de soportarlo. Los chips de grafeno se encuentran a la vuelta de la esquina


El español Tomás Palacios, profesor del MIT, ha conseguido fabricar transistores de grafeno 10 veces más rápidos que los de silicio. Los chips del revolucionario material, de un átomo de espesor, podrían alcanzar velocidades de 1.000 GHz. Esto demuestra lo cerca que está de desbancar al elemento clásico de la era de la información.

También se crearán discos duros del mismo tamaño de los de hoy día, pero capaces de almacenar 1.000 veces mas información. Científicos del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research en Dresden, Alemania, acaban de inventar una novedosa técnica en donde es posible utilizar la estructura intrínseca del grafeno, para necesitar en el orden de 1.000 veces menos átomos para mantener una estructura lo suficientemente resistente como para aguantar los constantes cambios electromagnéticos requeridos para escribir y leer información. También le llegará el turno a los discos duros


• Electrónica

Una startup en Jessup, Maryland, espera poder lanzar al mercado este año uno de los primeros productos basado en el grafeno. Vorbeck Materials está fabricando tintas conductoras basadas en el grafeno y que pueden ser utilizadas para imprimir antenas RFID (identificación por radiofrecuencia, por sus siglas en inglés) y contactos eléctricos para pantallas flexibles. La compañía, que se aprovecha del bajo coste de las tintas de grafeno, posee un acuerdo con el gigante de productos químicos alemán BASF para lanzar al mercado este producto en breve. Será la prueba definitiva de que el grafeno es un material del presente. Se fabricarán contactos eléctricos para pantallas flexibles


• Aviónica

El Pentágono ha asignado tres millones de dólares a la Universidad de Princeton para que desarrolle diminutas hojas de grafeno que, añadidas al combustible empleado en los motores de los aviones supersónicos, consigan una optimización en su funcionamiento y una reducción en el consumo y la contaminación ambiental. Según los científicos, este desarrollo puede alumbrar el nacimiento de una nueva era en los motores de combustión de las aeronaves. Los aditivos de combustible fabricados con partículas minúsculas de grafeno podrían lograr que los aviones supersónicos vuelen aún más rápido y que sus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de la sostenibilidad ambiental. Los aviones supersónicos optimizarán el combustible con aditivos de grafeno


• Investigación

¿Te suena de algo el acelerador de partículas del CERN? El complejo, que ocupa kilómetros cuadrados cerca de Ginebra (Suiza), sirve para explorar el mundo de lo infinitamente pequeño para buscar los elementos fundamentales de la materia. Los físicos están tratando de usar el grafeno para fabricar una especie de acelerador en miniatura. "En un fragmento de grafeno de un único centímetro cuadrado es posible realizar muchos de los experimentos que hasta ahora requerían laboratorios como el del CERN". Si se convierte en realidad, los científicos podrían buscar el Bosón de Higgs, una partícula elemental hipotética, que aún no ha sido observada, y conocida como la partícula Dios, en un laboratorio que cabe en la yema del dedo. El majestuoso LHC se podría reducir a un dispositivo del tamaño de una manzana


• Energía

Los investigadores ven una amplia variedad de aplicaciones para el papel de óxido de grafeno, incluyendo su uso en membranas con permeabilidad controlada, y para las baterías o ultracondensadores destinados a usos en el ámbito energético. Estos dispositivos de almacenamiento de energía podrían ayudar al almacenar brotes repentinos de energía, por tanto, supondría una ayuda para aprovechar el irregular suministro por parte de las fuentes “verdes”.Esto revolucionará el concepto de energía renovable y la elevará a unas cotas de eficiencia nunca vistas.

Como vemos, la promesa de una nueva era basada en el carbono (y no en el silicio) se acerca a marchas forzadas. En un plazo medio, nos podemos ver inundados de dispositivos, mecanismos y tecnologías basadas en el grafeno, con unos rendimientos varios órdenes de magnitud por encima de lo que estamos acostumbrados ahora.

Los dioses se visten de carbono y pronto nos regalarán un desfile por la pasarela de las maravillas tecnológicas.
 fuente:
www.neoteo.com
ARTURO LUGO-apocusant