Grafeno

1. Resumen

2. Introducción

3. Características del grafeno

4. Propiedades del grafeno

5. Aplicaciones del grafeno

6. Conclusiones

7. Referencias bibliográficas

Resumen

La era de la nanotecnología ha incursionado en varios ámbitos de la tecnología como lo ha hecho el grafeno que hasta hace unos días, prácticamente nadie había oído hablar de este compuesto. Esta situación ha cambiado después de que la Real Academia de las Ciencias sueca premiara con el Nobel de Física a dos científicos rusos por sus investigaciones sobre este material.

PALABRAS CLAVE: nanotecnología, grafito, grafeno, semiconductores.

Introducción

El grafeno es un material bidimensional que tiene sólo un átomo de grosor. Su estructura laminar de grafito está compuesta de átomos de carbono que forman una red hexagonal. Varios investigadores destacan que es la membrana más fina creada hasta el momento.

Su apariencia puede parecer frágil ya que a simple vista el grafeno luce como una tela transparente y flexible. Sin embargo es un material extremadamente resistente que además sirve como conductor de la electricidad. [1] [2] [3]

Las aplicaciones del grafeno aún estar por descubrirse aunque algunos entendidos en el tema apuntan su uso en el área de la electrónica por sus extraordinarias propiedades conductoras y semiconductoras. [3]

Uno de los campos donde este material parece ser más prometedor es en la industria de semiconductores. Este sector tiene la intención de construir computadoras mucho más rápidas que las de hoy en día gracias a la implementación de transistores de grafeno en los microprocesadores. Pero el principal problema en la construcción de microprocesadores es la presión debido a que los materialesusados para fabricar los transistores no sólo deben tener excelentes propiedades eléctricas, sino que también deben ser capaces de soportar la tensión a la que se ven sometidos durante el proceso de fabricación y al calentamiento generado por las tareas repetitivas que desempeñan. [3]

El proceso utilizado para estampar conexiones eléctricas en los microprocesadores, ejerce una tensión que puede provocar el fallo de los chips. [3]

Debido a esto el grafeno ha sido el material que mejor ha soportado todo este procedimiento.

Características del grafeno

El grafeno es un cristal bidimensional; como ya sabemos un plano monoatómico es un cristal 2D, mientras que 100 mono capas se deben considerar como una película delgada de un material tridimensional. [5]

Para el grafeno la situación se ha hecho clara pues la estructura electrónica evoluciona rápidamente con el número de capas y se aproxima al límite tridimensional con unas diez capas. [5] [6]

Sólo el grafeno y su bicapa tienen espectros sencillos que son semiconductores con laguna cero (o semimetales con cero solapes) con un tipo de electrones y un tipo de huecos. [6]

Para 3 o más capas, los espectros se van volviendo más complicados, es decir aparecen varios portadores, y las bandas de conducción y de valencia empiezan a solaparse. [6]

Esto permite distinguir entre las mono capas, las bicapas y unas pocas capas (3 a 10) como tres tipos de grafeno. [6]

Las estructuras más gruesas se pueden considerar como películas delgadas de grafito.

Figura 1: distintas presentaciones del grafeno [21]

Propiedades del grafeno

PROPIEDADES MECANICAS:

Las propiedades mecánicas del grafeno han sido determinadas por diferentes métodos, como el abombamiento de membranas, el oscilador armónico, las vigas doblemente empotradas o en voladizo, dinámica de membranas, dinámica de placas, actuadores vibrantes, detección óptica, deflexión de vigas, aplicación de sistemas microelectromecánicos y sistemas nanoelectromecánicos. [7] [13]

El grafeno tiene una resistencia a la cedencia de 130 GPa, un módulo de elasticidad de 1.06 TPa, y una relación de Poisson de ? = 0.186, sin embargo, a pesar de esa elevada rigidez, las láminas de grafeno tienen una gran flexibilidad, lo cual se atribuye al cambio en la curvatura dado por el alargamiento reversible de los enlaces sp. [7] [14]

Además, debido a la baja densidad de defectos en las películas, el comportamiento elástico del grafeno refleja las propiedades intrínsecas del enlace interatómico en toda su resistencia hasta el punto de ruptura. Por consiguiente, la respuesta del grafeno se debe considerar no lineal pues la gráfica tensión – deformación se debe curvar sobre el punto máximo que indica la tensión de ruptura. [13] [14]

PROPIEDADES ELECTRONICAS:

Como se ha repetido, uno de los aspectos más interesantes del grafeno es que sus excitaciones de baja energía son fermiones de Dirac, sólo que estos se mueven a una velocidad menor que la predicha por la electrodinámica cuántica (EDC), pues vF es 300 veces menor que la velocidad de la luz c. Por ello muchas de las propiedades inusuales de la EDC aparecen en el grafeno pero a menores velocidades. [14]

Los fermiones de Dirac se comportan de manera extraña si se comparan con los electrones ordinarios en los campos magnéticos, lo cual da como resultado nuevos fenómenos físicos como el anómalo efecto Hall cuántico entero (EHCE) que además de ser diferente al EHCE exhibido por el silicio y en el arseniuro de galio y aluminio, se puede observar a temperatura ambiente. [14]

Otra característica interesante de los fermiones de Dirac es su insensibilidad a los potenciales electrostáticos externos debido a la llamada paradoja de Klein, esto se debe a que los fermiones de Dirac se pueden transmitir con una probabilidad de 1 en una región prohibida clásicamente. Por ello los fermiones de Dirac se comportan distinto en la presencia de potenciales de confinación, lo que genera el fenómeno de Zitterbewegung, o movimiento saltón (nervioso). [14]

En el grafeno esos potenciales electrostáticos pueden ser generados fácilmente por el desorden. Y como el desorden es inevitable en cualquier material, ha habido mucho interés en entender cómo el desorden afecta la física de los electrones en el grafeno y sus propiedades de transporte. Las fuentes de desorden en el grafeno son muchas y pueden variar desde los efectos comunes encontrados en los semiconductores, como las impurezas ionizadas en el sustrato de Silicio, a átomos adsorbidos y varias moléculas adsorbidas en la superficie del grafeno, hasta efectos menos usuales como las ondulaciones asociadas con la estructura blanda del grafeno. De hecho el grafeno es único en el sentido de que comparte las propiedades de las membranas blandas y al mismo tiempo se comporta de una manera metálica, de modo que los fermiones se propagan en un espacio curvado localmente. [14]

La

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