En 2010, Geim e Novoselov gañaron o Premio Nobel de Física polo seu traballo sobre o grafeno. Este premio deixou unha profunda impresión en moita xente. Despois de todo, non todas as ferramentas experimentais do Premio Nobel son tan comúns como a cinta adhesiva, e non todos os obxectos de investigación son tan máxicos e fáciles de entender como o grafeno de "cristal bidimensional". O traballo de 2004 puido ser galardoado en 2010, algo pouco común no historial de Premios Nobel dos últimos anos.
O grafeno é un tipo de substancia que consiste nunha única capa de átomos de carbono dispostos estreitamente nunha rede hexagonal bidimensional en forma de panal. Do mesmo xeito que o diamante, o grafito, o fulereno, os nanotubos de carbono e o carbono amorfo, é unha substancia (substancia simple) composta por elementos de carbono. Como se mostra na figura seguinte, os fulerenos e os nanotubos de carbono pódense ver enrolados dalgún xeito a partir dunha única capa de grafeno, que está apilada por moitas capas de grafeno. A investigación teórica sobre o uso do grafeno para describir as propiedades de diversas substancias simples de carbono (grafito, nanotubos de carbono e grafeno) leva case 60 anos, pero xeralmente crese que estes materiais bidimensionais son difíciles de existir de forma estable sós, só unidos á superficie do substrato tridimensional ou dentro de substancias como o grafito. Non foi ata 2004 que Andre Geim e o seu alumno Konstantin Novoselov retiraron unha única capa de grafeno do grafito mediante experimentos que a investigación sobre o grafeno logrou un novo desenvolvemento.
Tanto o fulereno (esquerda) como o nanotubo de carbono (centro) pódense considerar como enrolados por unha única capa de grafeno dalgún xeito, mentres que o grafito (dereita) está apilado por múltiples capas de grafeno a través da conexión da forza de van der Waals.
Hoxe en día, o grafeno pódese obter de moitas maneiras, e os diferentes métodos teñen as súas propias vantaxes e desvantaxes. Geim e Novoselov obtiveron o grafeno dun xeito sinxelo. Usando cinta transparente dispoñible nos supermercados, separaron o grafeno, unha lámina de grafito cunha soa capa de átomos de carbono de grosor, dun anaco de grafito pirolítico de alta orde. Isto é conveniente, pero a controlabilidade non é tan boa, e só se pode obter grafeno cun tamaño inferior a 100 micras (unha décima de milímetro), que se pode usar para experimentos, pero é difícil usalo para aplicacións prácticas. A deposición química de vapor pode facer crecer mostras de grafeno cun tamaño de decenas de centímetros na superficie do metal. Aínda que a área con orientación consistente é de só 100 micras [3,4], foi axeitada para as necesidades de produción dalgunhas aplicacións. Outro método común é quentar o cristal de carburo de silicio (SIC) a máis de 1100 ℃ ao baleiro, de xeito que os átomos de silicio preto da superficie se evaporen e os átomos de carbono restantes se reorganizen, o que tamén pode obter mostras de grafeno con boas propiedades.
O grafeno é un material novo con propiedades únicas: a súa condutividade eléctrica é tan excelente como a do cobre e a súa condutividade térmica é mellor que a de calquera material coñecido. É moi transparente. Só unha pequena parte (2,3 %) da luz visible incidente vertical será absorbida polo grafeno e a maior parte da luz pasará a través del. É tan denso que nin sequera os átomos de helio (as moléculas de gas máis pequenas) poden pasar a través del. Estas propiedades máxicas non son herdadas directamente do grafito, senón da mecánica cuántica. As súas propiedades eléctricas e ópticas únicas determinan que teña amplas perspectivas de aplicación.
Aínda que o grafeno só apareceu hai menos de dez anos, mostrou moitas aplicacións técnicas, o que é moi raro nos campos da física e a ciencia dos materiais. Os materiais xerais tardan máis de dez anos ou incluso décadas en pasar do laboratorio á vida real. Para que serve o grafeno? Vexamos dous exemplos.
Electrodo transparente suave
En moitos electrodomésticos, cómpre usar materiais condutores transparentes como eléctrodos. Os reloxos electrónicos, as calculadoras, os televisores, as pantallas de cristal líquido, as pantallas táctiles, os paneis solares e moitos outros dispositivos non poden deixar de existir eléctrodos transparentes. O eléctrodo transparente tradicional usa óxido de indio e estaño (ITO). Debido ao alto prezo e á subministración limitada de indio, o material é fráxil e carece de flexibilidade, e o eléctrodo debe depositarse na capa media de baleiro, o que fai que o custo sexa relativamente elevado. Durante moito tempo, os científicos estiveron a tentar atopar o seu substituto. Ademais dos requisitos de transparencia, boa condutividade e fácil preparación, se a flexibilidade do propio material é boa, será axeitado para fabricar "papel electrónico" ou outros dispositivos de visualización pregables. Polo tanto, a flexibilidade tamén é un aspecto moi importante. O grafeno é un material moi axeitado para eléctrodos transparentes.
Investigadores de Samsung e da Universidade Chengjunguan de Corea do Sur obtiveron grafeno cunha lonxitude diagonal de 30 polgadas mediante deposición química de vapor e transferírono a unha película de tereftalato de polietileno (PET) de 188 micras de grosor para producir unha pantalla táctil baseada en grafeno [4]. Como se mostra na figura seguinte, o grafeno cultivado na lámina de cobre únese primeiro coa cinta de decapado térmico (parte transparente azul), despois a lámina de cobre disólvese mediante un método químico e, finalmente, o grafeno transfírese á película de PET mediante quentamento.
Novo equipo de indución fotoeléctrica
O grafeno ten propiedades ópticas moi singulares. Aínda que só ten unha capa de átomos, pode absorber o 2,3 % da luz emitida en todo o rango de lonxitudes de onda, desde a luz visible ata o infravermello. Este número non ten nada que ver con outros parámetros materiais do grafeno e está determinado pola electrodinámica cuántica [6]. A luz absorbida levará á xeración de portadores (electróns e buratos). A xeración e o transporte de portadores no grafeno son moi diferentes aos dos semicondutores tradicionais. Isto fai que o grafeno sexa moi axeitado para equipos de indución fotoeléctrica ultrarrápidos. Estímase que estes equipos de indución fotoeléctrica poden funcionar a unha frecuencia de 500 GHz. Se se usa para a transmisión de sinais, pode transmitir 500.000 millóns de ceros ou uns por segundo e completar a transmisión do contido de dous discos Blu-ray nun segundo.
Expertos do Centro de Investigación Thomas J. Watson de IBM nos Estados Unidos empregaron grafeno para fabricar dispositivos de indución fotoeléctrica que poden funcionar a unha frecuencia de 10 GHz [8]. En primeiro lugar, preparáronse escamas de grafeno sobre un substrato de silicio cuberto con sílice de 300 nm de espesor mediante o "método de rasgado de cinta" e, a continuación, fabricáronse eléctrodos de ouro paladio ou ouro titanio cun intervalo de 1 micra e unha anchura de 250 nm. Deste xeito, obtívose un dispositivo de indución fotoeléctrica baseado en grafeno.
Diagrama esquemático do equipo de indución fotoeléctrica de grafeno e fotos de microscopio electrónico de varrido (SEM) de mostras reais. A liña curta negra na figura corresponde a 5 micras e a distancia entre as liñas metálicas é dunha micra.
Mediante experimentos, os investigadores descubriron que este dispositivo de indución fotoeléctrica con estrutura metálica de grafeno pode alcanzar unha frecuencia de traballo de 16 GHz como máximo e pode funcionar a alta velocidade no rango de lonxitudes de onda de 300 nm (ultravioleta próximo) a 6 micras (infravermellos), mentres que o tubo de indución fotoeléctrico tradicional non pode responder á luz infravermella con lonxitudes de onda máis longas. A frecuencia de traballo do equipo de indución fotoeléctrica de grafeno aínda ten un gran marxe de mellora. O seu rendemento superior fai que teña unha ampla gama de perspectivas de aplicación, incluíndo comunicación, control remoto e monitorización ambiental.
Como novo material con propiedades únicas, as investigacións sobre as aplicacións do grafeno están a xurdir unha tras outra. É difícil para nós enumeralas aquí. No futuro, pode que haxa tubos de efecto de campo feitos de grafeno, interruptores moleculares feitos de grafeno e detectores moleculares feitos de grafeno na vida cotiá... O grafeno que saia gradualmente do laboratorio brillará na vida cotiá.
Podemos esperar que nun futuro próximo apareza un gran número de produtos electrónicos que empreguen grafeno. Imaxinade o interesante que sería se os nosos teléfonos intelixentes e netbooks puidesen enrolarse, suxeitarse ás orellas, meterse nos petos ou envolverse arredor dos pulsos cando non os usamos!
Data de publicación: 09-03-2022