Grafeno
Grafeno () es un alótropo del carbono que consiste en una sola capa de átomos dispuestos en una nanoestructura de red hexagonal. El nombre se deriva de "grafito" y el sufijo -eno, que refleja el hecho de que el alótropo de carbono del grafito contiene numerosos dobles enlaces.
Cada átomo de una lámina de grafeno está conectado a sus tres vecinos más cercanos mediante enlaces σ y un enlace π deslocalizado, lo que contribuye a una banda de valencia que se extiende por toda la lámina. Este es el mismo tipo de enlace que se observa en los nanotubos de carbono y los hidrocarburos aromáticos policíclicos y (parcialmente) en los fullerenos y el carbono vítreo. La banda de valencia está tocada por una banda de conducción, lo que convierte al grafeno en un semimetal con propiedades electrónicas inusuales que se describen mejor mediante teorías de partículas relativistas sin masa. Los portadores de carga en el grafeno muestran una dependencia lineal, en lugar de cuadrática, de la energía respecto del momento, y se pueden fabricar transistores de efecto de campo con grafeno que muestran conducción bipolar. El transporte de carga es balístico a largas distancias; el material exhibe grandes oscilaciones cuánticas y un diamagnetismo grande y no lineal. El grafeno conduce el calor y la electricidad de manera muy eficiente a lo largo de su plano. El material absorbe fuertemente la luz de todas las longitudes de onda visibles, lo que explica el color negro del grafito, pero una sola hoja de grafeno es casi transparente debido a su extrema delgadez. Microscópicamente, el grafeno es el material más fuerte jamás medido.
Los científicos teorizaron durante décadas sobre la posible existencia y producción del grafeno. Es probable que se haya producido sin saberlo en pequeñas cantidades durante siglos, mediante el uso de lápices y otras aplicaciones similares de grafito. Posiblemente se observó en microscopios electrónicos en 1962, pero se estudió sólo mientras estaba apoyado sobre superficies metálicas.
En 2004, el material fue redescubierto, aislado e investigado en la Universidad de Manchester por Andre Geim y Konstantin Novoselov. En 2010, Geim y Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física por sus "experimentos innovadores sobre el material bidimensional grafeno". El grafeno de alta calidad demostró ser sorprendentemente fácil de aislar.
El grafeno se ha convertido en un nanomaterial valioso y útil debido a su excepcionalmente alta resistencia a la tracción, conductividad eléctrica y transparencia, además de ser el material bidimensional más delgado del mundo. El mercado mundial del grafeno fue de 9 millones de dólares en 2012, y la mayor parte de la demanda provino de la investigación y el desarrollo en semiconductores, electrónica, baterías eléctricas y compuestos.
La IUPAC (Unión Internacional de Química Pura y Aplicada) recomienda el uso del nombre "grafito" para el material tridimensional, y "grafeno" sólo cuando se analizan las reacciones, relaciones estructurales u otras propiedades de capas individuales. Una definición más estricta, de "grafeno aislado o independiente" requiere que la capa esté suficientemente aislada de su entorno, pero incluiría capas suspendidas o transferidas a dióxido de silicio o carburo de silicio.
Historia
Estructura del grafito y sus compuestos de intercalación
En 1859, Benjamin Brodie notó la estructura altamente laminar del óxido de grafito reducido térmicamente. En 1916, Peter Debye y Paul Scherrer determinaron la estructura del grafito mediante difracción de rayos X en polvo. La estructura fue estudiada con más detalle por V. Kohlschütter y P. Haenni en 1918, quienes también describieron las propiedades del papel de óxido de grafito. Su estructura se determinó a partir de difracción de monocristal en 1924.
La teoría del grafeno fue explorada por primera vez por P. R. Wallace en 1947 como punto de partida para comprender las propiedades electrónicas del grafito 3D. La emergente ecuación de Dirac sin masa fue señalada por primera vez en 1984 por separado por Gordon Walter Semenoff, David P. DiVincenzo y Eugene J. Mele. Semenoff destacó la aparición en un campo magnético de un nivel electrónico de Landau precisamente en el punto de Dirac. Este nivel es responsable del efecto Hall cuántico entero anómalo.
Observaciones de finas capas de grafito y estructuras relacionadas
G. Ruess y F. Vogt publicaron en 1948 imágenes de microscopía electrónica de transmisión (TEM) de muestras finas de grafito compuestas por unas pocas capas de grafeno. Con el tiempo, también se observaron directamente capas individuales. También se observaron capas individuales de grafito mediante microscopía electrónica de transmisión dentro de materiales a granel, en particular dentro del hollín obtenido por exfoliación química.
En 1961-1962, Hanns-Peter Boehm publicó un estudio sobre escamas extremadamente delgadas de grafito y acuñó el término "grafeno" para la hipotética estructura de una sola capa. Este artículo informa sobre escamas de grafito que brindan un contraste adicional equivalente de hasta ~0,4 nm o 3 capas atómicas de carbono amorfo. Esta fue la mejor resolución posible para TEM de 1960. Sin embargo, ni entonces ni hoy es posible discutir cuántas capas había en esos copos. Ahora sabemos que el contraste TEM del grafeno depende en gran medida de las condiciones de enfoque. Por ejemplo, es imposible distinguir entre grafeno monocapa suspendido y multicapa por sus contrastes TEM, y la única forma conocida es analizar las intensidades relativas de varios puntos de difracción. Las primeras observaciones TEM confiables de monocapas probablemente se dan en las referencias. 24 y 26 de la revisión de 2007 de Geim y Novoselov.
A partir de la década de 1970, C. Oshima y otros describieron capas individuales de átomos de carbono que crecían epitaxialmente sobre otros materiales. Este "grafeno epitaxial" Consiste en una red hexagonal de un solo átomo de espesor de átomos de carbono unidos por enlaces sp2, como en el grafeno independiente. Sin embargo, existe una transferencia de carga significativa entre los dos materiales y, en algunos casos, hibridación entre los orbitales d de los átomos del sustrato y los orbitales π del grafeno; que alteran significativamente la estructura electrónica en comparación con la del grafeno independiente.
El término "grafeno" se utilizó nuevamente en 1987 para describir láminas individuales de grafito como constituyente de compuestos de intercalación de grafito, que pueden verse como sales cristalinas del intercalante y grafeno. También se utilizó en las descripciones de nanotubos de carbono por R. Saito y Mildred y Gene Dresselhaus en 1992, y de hidrocarburos aromáticos policíclicos en 2000 por S. Wang y otros.
Los esfuerzos para fabricar películas delgadas de grafito mediante exfoliación mecánica comenzaron en 1990. Los intentos iniciales emplearon técnicas de exfoliación similares al método de dibujo. Se obtuvieron muestras multicapa de hasta 10 nm de espesor.
En 2002, Robert B. Rutherford y Richard L. Dudman solicitaron una patente en los EE. UU. sobre un método para producir grafeno despegando repetidamente capas de una hojuela de grafito adherida a un sustrato, logrando un espesor de grafito de 0,00001 pulgadas (2,5×10−7 metros). La clave del éxito fue el reconocimiento visual de alto rendimiento del grafeno en un sustrato elegido adecuadamente, lo que proporciona un contraste óptico pequeño pero notable.
El mismo año, Bor Z. Jang y Wen C. Huang presentaron otra patente estadounidense para un método para producir grafeno basado en exfoliación seguida de desgaste.
En 2014, el inventor Larry Fullerton patenta un proceso para producir láminas de grafeno de una sola capa.
Aislamiento y caracterización total
El grafeno fue aislado y caracterizado adecuadamente en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov en la Universidad de Manchester, Reino Unido. Extrajeron capas de grafeno del grafito con una cinta adhesiva común en un proceso llamado escisión micromecánica o técnica de cinta adhesiva. Luego, las hojuelas de grafeno se transfirieron a una fina capa de dióxido de silicio (sílice) sobre una placa de silicio ("oblea"). La sílice aisló eléctricamente el grafeno e interactuó débilmente con él, proporcionando capas de grafeno con carga casi neutra. El silicio debajo del SiO
2 podría usarse como una "puerta trasera" electrodo para variar la densidad de carga en el grafeno en un amplio rango.
Este trabajo resultó en que ambos ganaran el Premio Nobel de Física en 2010 "por experimentos innovadores relacionados con el material bidimensional grafeno". Su publicación y el método de preparación sorprendentemente sencillo que describieron provocaron una "fiebre del oro del grafeno". La investigación se expandió y se dividió en muchos subcampos diferentes, explorando diferentes propiedades excepcionales del material: mecánica cuántica, eléctrica, química, mecánica, óptica, magnética, etc.
Explorando aplicaciones comerciales
Desde principios de la década de 2000, varias empresas y laboratorios de investigación han estado trabajando para desarrollar aplicaciones comerciales del grafeno. En 2014 se creó un Instituto Nacional del Grafeno con ese fin en la Universidad de Manchester, con una financiación inicial de 60 millones de libras esterlinas. En el noreste de Inglaterra, dos fabricantes comerciales, Applied Graphene Materials y Thomas Swan Limited, han comenzado a fabricar. Cambridge Nanosystems es una instalación de producción de polvo de grafeno a gran escala en East Anglia.
Estructura
El grafeno es una sola capa (monocapa) de átomos de carbono, estrechamente unidos en una red hexagonal en forma de panal. Es un alótropo del carbono en forma de un plano de átomos unidos por enlaces sp2 con una longitud de enlace molecular de 0,142 nanómetros.
Vínculo
Tres de los cuatro electrones de la capa externa de cada átomo en una lámina de grafeno ocupan tres orbitales híbridos sp2: una combinación de orbitales s, px y p< sub>y — que se comparten con los tres átomos más cercanos, formando enlaces σ. La longitud de estos enlaces es de aproximadamente 0,142 nanómetros.
El electrón restante de la capa exterior ocupa un orbital pz que está orientado perpendicularmente al plano. Estos orbitales se hibridan entre sí para formar dos bandas medio llenas de electrones en movimiento libre, π y π∗, que son responsables de la mayoría de las propiedades electrónicas notables del grafeno. Las estimaciones cuantitativas recientes de la estabilización aromática y el tamaño límite derivados de las entalpías de hidrogenación (ΔHhidro) concuerdan bien con los informes de la literatura.
Las láminas de grafeno se apilan para formar grafito con un espacio interplanar de 0,335 nm (3,35 Å).
Las láminas de grafeno en forma sólida generalmente muestran evidencia en difracción de capas de grafito (002). Esto es cierto para algunas nanoestructuras de pared simple. Sin embargo, se ha encontrado grafeno sin capas con solo anillos (hk0) en el núcleo de cebollas de grafito presolares. Los estudios TEM muestran facetados en defectos en láminas planas de grafeno y sugieren un papel para la cristalización bidimensional a partir de una masa fundida.
Geometría
La estructura reticular hexagonal del grafeno aislado de una sola capa se puede ver directamente con microscopía electrónica de transmisión (TEM) de láminas de grafeno suspendidas entre barras de una rejilla metálica. Algunas de estas imágenes mostraron una "ondulación" de la lámina plana, con una amplitud de aproximadamente un nanómetro. Estas ondas pueden ser intrínsecas al material como resultado de la inestabilidad de los cristales bidimensionales, o pueden originarse a partir de la suciedad omnipresente que se ve en todas las imágenes TEM de grafeno. Los residuos de fotorresistentes, que deben eliminarse para obtener imágenes de resolución atómica, pueden ser los "adsorbatos" observado en imágenes TEM, y puede explicar la ondulación observada.
La estructura hexagonal también se ve en imágenes de microscopio de efecto túnel (STM) de grafeno soportado sobre sustratos de dióxido de silicio. La ondulación que se observa en estas imágenes es causada por la conformación del grafeno en la red del sustrato y no es intrínseca.
Estabilidad
Los cálculos ab initio muestran que una lámina de grafeno es termodinámicamente inestable si su tamaño es inferior a aproximadamente 20 nm y se convierte en el fullereno más estable (como dentro del grafito) solo para moléculas de más de 24 000 átomos.
Propiedades
Electrónica
(feminine)
El grafeno es un semiconductor de espacio cero, porque sus bandas de conducción y valencia se encuentran en los puntos de Dirac. Los puntos de Dirac son seis ubicaciones en el espacio de impulso, en el borde de la zona de Brillouin, divididas en dos conjuntos no equivalentes de tres puntos. Los dos conjuntos están etiquetados como K y K'. Los conjuntos le dan al grafeno una degeneración de valle de gv = 2. Por el contrario, para los semiconductores tradicionales el principal punto de interés es generalmente Γ, donde el impulso es cero. Cuatro propiedades electrónicas lo separan de otros sistemas de materia condensada.
Sin embargo, si la dirección en el plano ya no es infinita, sino confinada, su estructura electrónica cambiaría. Se les conoce como nanocintas de grafeno. Si es "zig-zag", la banda prohibida seguirá siendo cero. Si es "sillón", la banda prohibida sería distinta de cero.
La red hexagonal del grafeno puede considerarse como dos redes triangulares entrelazadas. Esta perspectiva se utilizó con éxito para calcular la estructura de la banda para una sola capa de grafito utilizando una aproximación de enlace estrecho.
Espectro electrónico
Los electrones que se propagan a través de la red alveolar del grafeno pierden efectivamente su masa, produciendo cuasipartículas que se describen mediante un análogo 2D de la ecuación de Dirac en lugar de la ecuación de Schrödinger para el espín-1/2 partículas.
Relación de dispersión
La técnica de escisión condujo directamente a la primera observación del efecto Hall cuántico anómalo en el grafeno en 2005, por el grupo de Geim y por Philip Kim y Yuanbo Zhang. Este efecto proporcionó evidencia directa de la fase de fermiones de Dirac sin masa de Berry, teóricamente predicha por el grafeno, y la primera prueba de la naturaleza de los electrones como fermión de Dirac. Estos efectos fueron observados en grafito a granel por Yakov Kopelevich, Igor A. Luk'yanchuk y otros, en 2003-2004.
Cuando los átomos se colocan en la red hexagonal de grafeno, la superposición entre los orbitales pz(π) y los s o los Los orbitales px y py son cero por simetría. Por lo tanto, los electrones pz que forman las bandas π en el grafeno pueden tratarse de forma independiente. Dentro de esta aproximación de banda π, utilizando un modelo convencional de enlace estrecho, la relación de dispersión (restringida únicamente a las interacciones del primer vecino más cercano) que produce la energía de los electrones con el vector de onda k es
con la energía de salto del vecino más cercano (orbitales π) γ0 ≈ 2,8 eV y la constante de red a ≈ 2,46 Å. Las bandas de conducción y valencia, respectivamente, corresponden a los diferentes signos. Con un electrón pz por átomo en este modelo, la banda de valencia está completamente ocupada, mientras que la banda de conducción está vacía. Las dos bandas se tocan en las esquinas de la zona (el punto K en la zona de Brillouin), donde hay una densidad cero de estados pero no hay banda prohibida. Por tanto, la lámina de grafeno muestra un carácter semimetálico (o semiconductor de espacio cero), aunque no se puede decir lo mismo de una lámina de grafeno enrollada en un nanotubo de carbono, debido a su curvatura. Dos de los seis puntos de Dirac son independientes, mientras que el resto son equivalentes por simetría. En las proximidades de los puntos K la energía depende linealmente del vector de onda, de forma similar a una partícula relativista. Dado que una celda elemental de la red tiene una base de dos átomos, la función de onda tiene una estructura efectiva de 2 espinores.
Como consecuencia, a bajas energías, incluso ignorando el verdadero espín, los electrones pueden describirse mediante una ecuación que es formalmente equivalente a la ecuación de Dirac sin masa. Por tanto, los electrones y los huecos se denominan fermiones de Dirac. Esta descripción pseudorelativista se restringe al límite quiral, es decir, a la masa en reposo evanescente M0, lo que conduce a características adicionales interesantes:
Aquí. vF ~ 106m/s (.003 c) es la velocidad de Fermi en el grafeno, que reemplaza la velocidad de luz en la teoría de Dirac; es el vector de las matrices Pauli, es la función de onda de dos componentes de los electrones, y E es su energía.
La ecuación que describe los electrones n#39; relación de dispersión lineal es
donde el vencedor de ondas q se mide desde la zona de Brillouin vertex K, , y el cero de la energía se establece para coincidir con el punto Dirac. La ecuación utiliza una fórmula de matriz pseudospin que describe dos sublattices de la celosía.
Propagación de ondas de un solo átomo
Las ondas electrónicas en el grafeno se propagan dentro de una capa de un solo átomo, lo que las hace sensibles a la proximidad de otros materiales como dieléctricos de alto κ, superconductores y ferromagnéticos.
Transporte ambipolar de electrones y huecos
El grafeno muestra una notable movilidad electrónica a temperatura ambiente, con valores reportados superiores a 15000 cm2⋅V−1⋅s−1. Las movilidades de los huecos y los electrones son casi las mismas. La movilidad es independiente de la temperatura entre 10 K y 100 K, y muestra pocos cambios incluso a temperatura ambiente (300 K), lo que implica que el mecanismo de dispersión dominante es la dispersión de defectos. La dispersión por los fonones acústicos del grafeno limita intrínsecamente la movilidad a temperatura ambiente en el grafeno independiente a 200000 cm2⋅V−1⋅s−1 en un densidad de portador de 1012 cm−2.
La resistividad correspondiente de las láminas de grafeno sería 10−8 Ω⋅m< /lapso>. Esto es menor que la resistividad de la plata, la más baja conocida a temperatura ambiente. Sin embargo, en SiO
2 sustratos, la dispersión de electrones por los fonones ópticos del sustrato es un efecto mayor que la dispersión por el grafeno's propios fonones. Esto limita la movilidad a 40000 cm 2⋅V−1⋅s−1.
El transporte de carga presenta grandes preocupaciones debido a la adsorción de contaminantes como moléculas de agua y oxígeno. Esto conduce a características de histéresis I-V grandes y no repetitivas. Los investigadores deben realizar mediciones eléctricas en el vacío. Los investigadores han debatido la protección de la superficie del grafeno mediante un recubrimiento con materiales como SiN, PMMA, h-BN, etc. En enero de 2015, se informó del primer funcionamiento estable de un dispositivo de grafeno en el aire durante varias semanas, para grafeno cuya superficie estaba protegida por óxido de aluminio. En 2015, el grafeno recubierto de litio exhibió superconductividad, una novedad en el grafeno.
La resistencia eléctrica en nanocintas de grafeno epitaxial de 40 nanómetros de ancho cambia en pasos discretos. Las cintas' la conductancia supera las predicciones en un factor de 10. Las cintas pueden actuar más como guías de ondas ópticas o puntos cuánticos, permitiendo que los electrones fluyan suavemente a lo largo de los bordes de la cinta. En el cobre, la resistencia aumenta en proporción a la longitud a medida que los electrones encuentran impurezas.
El transporte está dominado por dos modos. Uno es balístico e independiente de la temperatura, mientras que el otro se activa térmicamente. Los electrones balísticos se parecen a los de los nanotubos de carbono cilíndricos. A temperatura ambiente, la resistencia aumenta abruptamente en una longitud particular: el modo balístico a 16 micrómetros y el otro a 160 nanómetros (1% de la longitud anterior).
Los electrones del grafeno pueden cubrir distancias micrométricas sin dispersarse, incluso a temperatura ambiente.
A pesar de la densidad de portador cero cerca de los puntos Dirac, el grafeno exhibe una conductividad mínima en el orden . El origen de esta conductividad mínima todavía no está claro. Sin embargo, la maduración de la hoja gráfica o impurezas ionizadas en la SiO
2 sustrato puede conducir a charcos locales de portadores que permiten la conducción. Varias teorías sugieren que la conductividad mínima debe ser ; sin embargo, la mayoría de las mediciones son de orden o mayor y depende de la concentración de impureza.
El grafeno con densidad de portadores cercana a cero exhibe fotoconductividad positiva y fotoconductividad negativa a alta densidad de portadores. Esto se rige por la interacción entre los cambios fotoinducidos tanto del peso de Drude como de la tasa de dispersión del portador.
El grafeno dopado con varias especies gaseosas (tanto aceptores como donantes) puede devolverse a un estado no dopado mediante un suave calentamiento al vacío. Incluso para concentraciones de dopantes superiores a 1012 cm−2 la movilidad del portador no muestra ningún cambio observable. El grafeno dopado con potasio en vacío ultra alto a baja temperatura puede reducir la movilidad 20 veces. La reducción de la movilidad es reversible al calentar el grafeno para eliminar el potasio.
Debido a las dos dimensiones del grafeno, se cree que se produce fraccionamiento de carga (donde la carga aparente de pseudopartículas individuales en sistemas de baja dimensión es menor que un solo cuanto). Por tanto, puede ser un material adecuado para construir ordenadores cuánticos utilizando circuitos anyónicos.
Efecto Hall cuántico quiral medio entero
El cuántico El efecto Hall es una versión mecánica cuántica del efecto Hall, que es la producción de conductividad transversal (perpendicular a la corriente principal) en presencia de un campo magnético. La cuantificación del efecto Hall en números enteros (el "nivel de Landau") de la cantidad básica e2/h (donde) e es la carga eléctrica primaria y h es la constante Planck). Generalmente se puede observar sólo en sólidos de silicio o arsenida de galio muy limpios a temperaturas alrededor 3 K y campos magnéticos muy altos.
El grafeno muestra el cuántico Efecto Hall con respecto a la cuantificación de la conductividad: el efecto es poco común en que la secuencia de pasos se cambia por 1/2 con respecto a la secuencia estándar y con un factor adicional de 4. La conductividad de Graphene Hall es , donde N es el nivel de Landau y el valle doble y las degeneraciones de doble giro dan el factor de 4. Estas anomalías están presentes no sólo a temperaturas extremadamente bajas, sino también a temperatura ambiente, es decir, a aproximadamente 20 °C (293 K).
Este comportamiento es un resultado directo de los electrones de Dirac sin masa de grafeno. En un campo magnético, su espectro tiene un nivel de Landau con energía precisamente en el punto Dirac. Este nivel es una consecuencia del teorema del índice Atiyah-Singer y está medio lleno de grafeno neutro, lo que conduce a la "+1/2" en la conductividad Hall. Bilayer grafeno también muestra el cuántico Efecto Hall, pero sólo con una de las dos anomalías (es decir, ). En la segunda anomalía, la primera meseta en N = 0 está ausente, indicando que el bilayer grafeno permanece metálico en el punto de neutralidad.
A diferencia de los metales normales, la resistencia longitudinal del grafeno muestra máximos en lugar de mínimos para los valores integrales del factor de llenado de Landau en las mediciones de las oscilaciones Shubnikov-de Haas, por lo que se utiliza el término integral cuántica de Hall. efecto. Estas oscilaciones muestran un cambio de fase de π, conocido como fase de Berry. La fase de Berry surge debido a la quiralidad o dependencia (bloqueo) del número cuántico de pseudoespín del impulso de los electrones de baja energía cerca de los puntos de Dirac. La dependencia de las oscilaciones con la temperatura revela que los portadores tienen una masa de ciclotrón distinta de cero, a pesar de su masa efectiva cero en el formalismo de Dirac-fermión.
Las muestras de grafeno preparadas sobre películas de níquel, y tanto en la cara de silicio como en la cara de carbono del carburo de silicio, muestran el efecto anómalo directamente en las mediciones eléctricas. Las capas de grafito en la cara de carbono del carburo de silicio muestran un espectro de Dirac claro en experimentos de fotoemisión con resolución angular, y el efecto se observa en experimentos de resonancia de ciclotrón y túneles.
Fuertes campos magnéticos
En campos magnéticos superiores a 10 tesla aproximadamente, mesetas adicionales de la conductividad Hall en σxy = νe2/h con ν = 0, ± Se observan 1, ±4. Una meseta en ν = 3 y el efecto Hall cuántico fraccionario en ν = < span role="math" class="sfrac tion">1/3 También se informaron .
Estas observaciones con ν = 0, ±1, ±3, ±4 indican que la degeneración cuádruple (dos valles y dos espines) grados de libertad) de los niveles de energía de Landau se eleva parcial o completamente.
Efecto Casimir
El efecto Casimir es una interacción entre cuerpos neutros disjuntos provocada por las fluctuaciones del vacío electrodinámico. Matemáticamente se puede explicar considerando los modos normales de los campos electromagnéticos, que dependen explícitamente de las condiciones límite (o coincidentes) de los cuerpos que interactúan. superficies. Dado que la interacción grafeno/campo electromagnético es fuerte para un material de un átomo de espesor, el efecto Casimir es de creciente interés.
Fuerza de Van der Waals
La fuerza de Van der Waals (o fuerza de dispersión) también es inusual y obedece a una ley de potencia asintótica cúbica inversa, en contraste con la ley cuártica inversa habitual.
'Masivo' electrones
La celda unitaria del grafeno tiene dos átomos de carbono idénticos y dos estados de energía cero: uno en el que el electrón reside en el átomo A y el otro en el que el electrón reside en el átomo B. Sin embargo, si los dos átomos en las celdas unitarias no son idénticas, la situación cambia. Caza y col. muestran que colocar nitruro de boro hexagonal (h-BN) en contacto con grafeno puede alterar el potencial sentido en el átomo A frente al átomo B lo suficiente como para que los electrones desarrollen una masa y una banda prohibida de aproximadamente 30 meV [0,03 electrón voltio (eV)].
La masa puede ser positiva o negativa. Una disposición que aumenta ligeramente la energía de un electrón en el átomo A en relación con el átomo B le da una masa positiva, mientras que una disposición que aumenta la energía del átomo B produce una masa electrónica negativa. Las dos versiones se comportan de manera similar y son indistinguibles mediante espectroscopia óptica. Un electrón que viaja de una región de masa positiva a una región de masa negativa debe cruzar una región intermedia donde su masa vuelve a ser cero. Esta región no tiene espacios y, por lo tanto, es metálica. Los modos metálicos que delimitan regiones semiconductoras de masa de signos opuestos son un sello distintivo de una fase topológica y muestran prácticamente la misma física que los aislantes topológicos.
Si se puede controlar la masa del grafeno, los electrones se pueden confinar a regiones sin masa rodeándolos con regiones masivas, permitiendo la formación de patrones de puntos cuánticos, cables y otras estructuras mesoscópicas. También produce conductores unidimensionales a lo largo del límite. Estos cables estarían protegidos contra la retrodispersión y podrían transportar corrientes sin disipación.
Permisividad
La permitividad del grafeno varía con la frecuencia. En un rango que va desde frecuencias de microondas hasta ondas milimétricas, es aproximadamente 3,3. Esta permitividad, combinada con la capacidad de formar conductores y aislantes, significa que, en teoría, los condensadores compactos hechos de grafeno podrían almacenar grandes cantidades de energía eléctrica.
Óptica
(feminine)Las propiedades ópticas únicas del grafeno producen una opacidad inesperadamente alta para una monocapa atómica en el vacío, absorbiendo πα ≈ 2,3 % de la luz. del visible al infrarrojo. Aquí, α es la constante de estructura fina. Esto es una consecuencia de la "estructura electrónica inusual de baja energía del grafeno monocapa que presenta bandas cónicas de electrones y huecos que se encuentran en el punto de Dirac... [que] es cualitativamente diferente de las bandas masivas cuadráticas más comunes". #34; Basado en el modelo de banda de grafito de Slonczewski-Weiss-McClure (SWMcC), la distancia interatómica, el valor de salto y la frecuencia se cancelan cuando la conductancia óptica se calcula utilizando ecuaciones de Fresnel en el límite de película delgada.
Aunque se ha confirmado experimentalmente, la medición no es lo suficientemente precisa como para mejorar otras técnicas para determinar la constante de estructura fina.
Se utilizó resonancia de plasmón superficial multiparamétrica para caracterizar tanto el espesor como el índice de refracción de las películas de grafeno cultivadas por deposición química de vapor (CVD). Los valores medidos del índice de refracción y del coeficiente de extinción a una longitud de onda de 670 nm (6,7×10−7 m) son 3,135 y 0,897, respectivamente. El espesor se determinó como 3,7 Å a partir de un área de 0,5 mm, lo que concuerda con los 3,35 Å informados para la distancia de los átomos de carbono de capa a capa de los cristales de grafito. El método también se puede utilizar para interacciones sin etiquetas en tiempo real del grafeno con sustancias orgánicas e inorgánicas. Además, se ha demostrado teóricamente la existencia de plasmones superficiales unidireccionales en las interfaces girotrópicas no recíprocas basadas en grafeno. Al controlar eficientemente el potencial químico del grafeno, la frecuencia de trabajo unidireccional puede sintonizarse continuamente desde THz hasta el infrarrojo cercano e incluso visible. En particular, el ancho de banda de frecuencia unidireccional puede ser de 1 a 2 órdenes de magnitud mayor que el del metal bajo el mismo campo magnético, lo que surge de la superioridad de la masa electrónica efectiva extremadamente pequeña en el grafeno.
La banda prohibida del grafeno se puede ajustar de 0 a 0,25 eV (aproximadamente 5 longitud de onda micrométrica) aplicando voltaje a un transistor de efecto de campo (FET) de grafeno bicapa de doble puerta a temperatura ambiente. La respuesta óptica de las nanocintas de grafeno se puede sintonizar en el régimen de terahercios mediante un campo magnético aplicado. Los sistemas de grafeno/óxido de grafeno exhiben un comportamiento electrocrómico, lo que permite ajustar propiedades ópticas tanto lineales como ultrarrápidas.
Se ha fabricado una rejilla de Bragg (cristal fotónico unidimensional) basada en grafeno y se ha demostrado su capacidad para excitar ondas electromagnéticas superficiales en la estructura periódica utilizando 633 nm (6,33×10−7 m) Láser He-Ne como fuente de luz.
Absorción saturable
Esta absorción única podría saturarse cuando la intensidad óptica de entrada está por encima de un valor umbral. Este comportamiento óptico no lineal se denomina absorción saturable y el valor umbral se denomina fluencia de saturación. El grafeno se puede saturar fácilmente bajo una fuerte excitación en la región visible al infrarrojo cercano, debido a la absorción óptica universal y la banda prohibida cero. Esto tiene relevancia para el bloqueo de modo de los láseres de fibra, donde el bloqueo del modo de banda completa se logró mediante un absorbente saturable a base de grafeno. Debido a esta propiedad especial, el grafeno tiene una amplia aplicación en fotónica ultrarrápida. Además, la respuesta óptica de las capas de grafeno/óxido de grafeno se puede ajustar eléctricamente.
La absorción saturable en el grafeno podría ocurrir en la banda de microondas y terahercios, debido a su propiedad de absorción óptica de banda ancha. La absorción saturable de microondas en grafeno demuestra la posibilidad de dispositivos fotónicos de terahercios y microondas de grafeno, como un absorbente saturable de microondas, un modulador, un polarizador, un procesamiento de señales de microondas y redes de acceso inalámbrico de banda ancha.
Efecto Kerr no lineal
Bajo una iluminación láser más intensa, el grafeno también podría poseer un cambio de fase no lineal debido al efecto óptico Kerr no lineal. Según una medición típica de escaneo z de apertura abierta y cerrada, el grafeno posee un coeficiente de Kerr no lineal gigante de 10 −7 cm2⋅W−1, casi nueve órdenes de magnitud mayor que la de los dieléctricos a granel. Esto sugiere que el grafeno puede ser un poderoso medio de Kerr no lineal, con la posibilidad de observar una variedad de efectos no lineales, el más importante de los cuales es el solitón.
Excitónico
Se realizan cálculos del primer principio con correcciones de cuasipartículas y efectos de muchos cuerpos para estudiar las propiedades electrónicas y ópticas de los materiales a base de grafeno. El enfoque se describe en tres etapas. Con el cálculo de GW, las propiedades de los materiales a base de grafeno se investigan con precisión, incluido el grafeno a granel, las nanocintas, los oribbons de sillón funcionalizados en bordes y superficies, las cintas de sillón saturadas de hidrógeno, el efecto Josephson en uniones SNS de grafeno con un solo defecto localizado y las propiedades de escalado de la cinta de sillón.
Transporte de giro
Se afirma que el grafeno es un material ideal para la espintrónica debido a su pequeña interacción espín-órbita y la casi ausencia de momentos magnéticos nucleares en el carbono (así como una interacción hiperfina débil). Se ha demostrado la inyección y detección de corriente de giro eléctrica hasta temperatura ambiente. Se observó una longitud de coherencia de espín superior a 1 micrómetro a temperatura ambiente y se observó el control de la polaridad de la corriente de espín con una puerta eléctrica a baja temperatura.
Propiedades magnéticas
Fuertes campos magnéticos
El cuántico de Graphene El efecto Hall en campos magnéticos por encima de aproximadamente 10 Teslas revela características interesantes adicionales. Mesetas adicionales de la conductividad Hall en con se observan. Además, la observación de una meseta en y el cuántico fraccionado Efecto del salón fueron reportados.
Estas observaciones con indican que la degeneración cuatro veces (dos valles y dos grados de libertad de giro) de los niveles de energía de Landau se levanta parcialmente o completamente. Una hipótesis es que la catalisis magnética de la ruptura de la simetría es responsable de levantar la degeneración.
Las propiedades espintrónicas y magnéticas pueden estar presentes en el grafeno simultáneamente. Las nanomallas de grafeno de bajo defecto fabricadas mediante un método no litográfico exhiben ferromagnetismo de gran amplitud incluso a temperatura ambiente. Además, se encuentra un efecto de bombeo de espín para campos aplicados en paralelo con los planos de nanomallas ferromagnéticas de pocas capas, mientras que se observa un bucle de histéresis de magnetorresistencia bajo campos perpendiculares. Se ha demostrado que el grafeno de carga neutra exhibe una magnetorresistencia superior al 100 % en campos magnéticos de imanes permanentes estándar (aproximadamente 0,1 tesla), una magnetorresistividad récord a temperatura ambiente entre todos los materiales conocidos.
Sustratos magnéticos
En 2014, los investigadores magnetizaron el grafeno colocándolo sobre una capa atómicamente suave de granate magnético de itrio y hierro. Las propiedades electrónicas del grafeno no se vieron afectadas. Los enfoques anteriores implicaban dopar el grafeno con otras sustancias. La presencia del dopante afectó negativamente a sus propiedades electrónicas.
Conductividad térmica
El transporte térmico en grafeno es un área activa de investigación que ha atraído la atención debido al potencial de sus aplicaciones de gestión térmica. Siguiendo las predicciones para el grafeno y los nanotubos de carbono relacionados, las primeras mediciones de la conductividad térmica del grafeno suspendido informaron una conductividad térmica excepcionalmente grande de hasta 5300 W⋅m−1⋅K−1, en comparación con la conductividad térmica del grafito pirolítico de aproximadamente 2000 W⋅m−1⋅K−1 a temperatura ambiente. Sin embargo, estudios posteriores, principalmente sobre grafeno más escalable pero con más defectos, derivado de la deposición química de vapor, no han podido reproducir mediciones de conductividad térmica tan altas, lo que produce una amplia gama de conductividades térmicas entre 1500 – 2500 W⋅m- 1⋅K−1 para grafeno suspendido de una sola capa. El amplio rango en la conductividad térmica reportada puede deberse a grandes incertidumbres en las mediciones, así como a variaciones en la calidad del grafeno y las condiciones de procesamiento. Además, se sabe que cuando el grafeno monocapa se soporta sobre un material amorfo, la conductividad térmica se reduce a aproximadamente 500 – 600 W⋅m−1⋅K −1 a temperatura ambiente como resultado de la dispersión de las ondas de la red de grafeno por el sustrato, y puede ser incluso menor para pocas capas de grafeno recubiertas de óxido amorfo. Asimismo, los residuos poliméricos pueden contribuir a una disminución similar en la conductividad térmica del grafeno suspendido a aproximadamente 500 – 600 W⋅m−1⋅K−1< /span> para grafeno bicapa.
Se ha sugerido que la composición isotópica, la proporción de 12C a 13C, tiene un impacto significativo en la conductividad térmica. Por ejemplo, el grafeno isotópicamente puro 12C tiene una conductividad térmica más alta que una proporción de isótopos de 50:50 o la proporción natural de 99:1. Se puede demostrar utilizando la ley de Wiedemann-Franz que la conducción térmica está dominada por fonones. Sin embargo, para una tira de grafeno cerrada, un sesgo de puerta aplicado que causa un cambio de energía de Fermi mucho mayor que kBT puede causar que la contribución electrónica a aumentan y dominan la contribución de fonones a bajas temperaturas. La conductancia térmica balística del grafeno es isotrópica.
El potencial de esta alta conductividad se puede ver al considerar el grafito, una versión 3D del grafeno que tiene una conductividad térmica en el plano basal de más de 1000 W⋅m−1⋅K−1 (comparable al diamante). En el grafito, la conductividad térmica del eje c (fuera del plano) es más de un factor de aproximadamente 100 menor debido a las débiles fuerzas de unión entre los planos basales, así como al mayor espaciado de la red. Además, se muestra que la conductancia térmica balística del grafeno da el límite inferior de las conductancias térmicas balísticas, por unidad de circunferencia, longitud de los nanotubos de carbono.
A pesar de su naturaleza bidimensional, el grafeno tiene 3 modos de fonones acústicos. Los dos modos en el plano (LA, TA) tienen una relación de dispersión lineal, mientras que el modo fuera del plano (ZA) tiene una relación de dispersión cuadrática. Debido a esto, la contribución de la conductividad térmica dependiente de T2 de los modos lineales está dominada a bajas temperaturas por la contribución T1,5 de los modos lineales. Modo avión. Algunas bandas de fonones de grafeno muestran parámetros de Grüneisen negativos. A bajas temperaturas (donde la mayoría de los modos ópticos con parámetros de Grüneisen positivos todavía no están excitados), la contribución de los parámetros de Grüneisen negativos será dominante y el coeficiente de expansión térmica (que es directamente proporcional a los parámetros de Grüneisen) será negativo. Los parámetros Grüneisen negativos más bajos corresponden a los modos ZA acústicos transversales más bajos. Las frecuencias de fonones para tales modos aumentan con el parámetro de la red en el plano, ya que los átomos en la capa al estirarse tendrán menos libertad para moverse en la dirección z. Esto es similar al comportamiento de una cuerda que, cuando se estira, tendrá vibraciones de menor amplitud y mayor frecuencia. Este fenómeno, denominado "efecto membrana" Fue predicho por Lifshitz en 1952.
Mecánico
La densidad (bidimensional) del grafeno es de 0,763 mg por metro cuadrado.
El grafeno es el material más resistente jamás probado, con una resistencia a la tracción intrínseca de 130 GPa (19.000.000 psi) (con una resistencia a la tracción representativa de ingeniería de ~50-60 GPa para estirar grafeno independiente de gran superficie) y un módulo de Young (rigidez) cercana a 1 TPa (150.000.000 psi). El anuncio del Nobel ilustró esto diciendo que una hamaca de grafeno de 1 metro cuadrado soportaría un gato de 4 kg pero pesaría sólo lo mismo que uno de los bigotes del gato, 0,77 mg (aproximadamente 0,001 % del peso de 1 m2 de papel).
Se ha logrado una monocapa de grafeno doblada en ángulo grande con una tensión insignificante, lo que muestra la robustez mecánica de la nanoestructura de carbono bidimensional. Incluso con una deformación extrema, se puede preservar una excelente movilidad del portador en grafeno monocapa.
La constante elástica de láminas de grafeno suspendidas se ha medido utilizando un microscopio de fuerza atómica (AFM). Se suspendieron láminas de grafeno sobre SiO
2 cavidades donde se usó una punta AFM para aplicar tensión a la lámina para probar sus propiedades mecánicas. Su constante elástica estaba en el rango de 1 a 5 N/m y la rigidez era 0,5 TPa, lo que difiere del del grafito a granel. Estas propiedades intrínsecas podrían dar lugar a aplicaciones como NEMS como sensores de presión y resonadores. Debido a su gran energía superficial y su ductilidad fuera del plano, las láminas planas de grafeno son inestables con respecto al desplazamiento, es decir, se doblan en forma cilíndrica, que es su estado de menor energía.
Como ocurre con todos los materiales, las regiones del grafeno están sujetas a fluctuaciones térmicas y cuánticas en el desplazamiento relativo. Aunque la amplitud de estas fluctuaciones está limitada en estructuras 3D (incluso en el límite del tamaño infinito), el teorema de Mermin-Wagner muestra que la amplitud de las fluctuaciones de longitud de onda larga crece logarítmicamente con la escala de una estructura 2D y, por lo tanto, sería ilimitada. en estructuras de tamaño infinito. La deformación local y la deformación elástica se ven afectadas de manera insignificante por esta divergencia de largo alcance en el desplazamiento relativo. Se cree que una estructura 2D suficientemente grande, en ausencia de tensión lateral aplicada, se doblará y arrugará para formar una estructura 3D fluctuante. Los investigadores han observado ondulaciones en capas suspendidas de grafeno y se ha propuesto que las ondulaciones son causadas por fluctuaciones térmicas en el material. Como consecuencia de estas deformaciones dinámicas, es discutible si el grafeno es realmente una estructura 2D. Recientemente se ha demostrado que estas ondas, si se amplifican mediante la introducción de defectos de vacancia, pueden impartir una relación de Poisson negativa al grafeno, dando como resultado el material auxético más delgado conocido hasta ahora.
Se han incorporado nanohojas de grafeno a una matriz de Ni mediante un proceso de revestimiento para formar compuestos de Ni-grafeno sobre un sustrato objetivo. La mejora de las propiedades mecánicas de los compuestos se atribuye a la alta interacción entre Ni y grafeno y a la prevención de la dislocación que se desliza en la matriz de Ni por parte del grafeno.
Resistencia a la fractura
En 2014, investigadores de la Universidad Rice y el Instituto de Tecnología de Georgia indicaron que, a pesar de su resistencia, el grafeno también es relativamente frágil, con una tenacidad a la fractura de aproximadamente 4 MPa√m. Esto indica que es probable que el grafeno imperfecto se agriete de manera quebradiza como los materiales cerámicos, a diferencia de muchos materiales metálicos que tienden a tener tenacidad a la fractura en el rango de 15 a 50 MPa√m. Más tarde, en 2014, el equipo de Rice anunció que el grafeno mostraba una mayor capacidad para distribuir la fuerza de un impacto que cualquier material conocido, diez veces más que el acero por unidad de peso. La fuerza se transmitió a 22,2 kilómetros por segundo (13,8 mi/s).
Grafeno policristalino
Se han desarrollado varios métodos, en particular la deposición química de vapor (CVD), como se analiza en la sección siguiente, para producir el grafeno a gran escala necesario para las aplicaciones de dispositivos. Estos métodos suelen sintetizar grafeno policristalino. Las propiedades mecánicas del grafeno policristalino se ven afectadas por la naturaleza de los defectos, como los límites de grano (GB) y las vacantes, presentes en el sistema y el tamaño promedio de grano.
Los límites de los granos de grafeno suelen contener pares de heptágono-pentágono. La disposición de dichos defectos depende de si el GB está en dirección zig-zag o en dirección sillón. Depende además del ángulo de inclinación del GB. En 2010, investigadores de la Universidad de Brown predijeron computacionalmente que a medida que aumenta el ángulo de inclinación, también aumenta la fuerza de los límites de grano. Demostraron que el eslabón más débil en el límite de grano se encuentra en los enlaces críticos de los anillos heptágonos. A medida que aumenta el ángulo del límite de grano, la tensión en estos anillos heptágonos disminuye, lo que hace que el límite de grano sea más fuerte que los GB de ángulo más bajo. Propusieron que, de hecho, para un ángulo GB suficientemente grande, la resistencia del GB es similar a la del grafeno prístino. En 2012, se demostró además que la resistencia puede aumentar o disminuir, dependiendo de la disposición detallada de los defectos. Desde entonces, estas predicciones han sido respaldadas por evidencias experimentales. En un estudio de 2013 dirigido por el grupo de James Hone, los investigadores probaron la rigidez elástica y la resistencia del grafeno cultivado mediante CVD combinando nanoindentación y TEM de alta resolución. Descubrieron que la rigidez elástica es idéntica y la resistencia es sólo ligeramente menor que la del grafeno prístino. Ese mismo año, investigadores de UC Berkeley y UCLA probaron grafeno bicristalino con TEM y AFM. Descubrieron que la fuerza de los límites de los granos tiende a aumentar con el ángulo de inclinación.
Si bien la presencia de vacantes no solo prevalece en el grafeno policristalino, las vacantes pueden tener efectos significativos en la resistencia del grafeno. El consenso general es que la fuerza disminuye junto con el aumento de la densidad de vacantes. De hecho, varios estudios han demostrado que para el grafeno con una densidad de vacantes suficientemente baja, la resistencia no varía significativamente con respecto a la del grafeno prístino. Por otro lado, una alta densidad de vacantes puede reducir gravemente la resistencia del grafeno.
En comparación con la naturaleza bastante bien entendida del efecto que los límites de grano y las vacantes tienen sobre las propiedades mecánicas del grafeno, no existe un consenso claro sobre el efecto general que el tamaño promedio de grano tiene sobre la resistencia del grafeno policristalino. De hecho, tres estudios teóricos/computacionales notables sobre este tema han llevado a tres conclusiones diferentes. Primero, en 2012, Kotakoski y Myer estudiaron las propiedades mecánicas del grafeno policristalino con un "modelo atomístico realista", utilizando simulación de dinámica molecular (MD). Para emular el mecanismo de crecimiento de la ECV, primero seleccionaron al azar sitios de nucleación que estuvieran al menos a 5A (elegidos arbitrariamente) de otros sitios. Se generó grafeno policristalino a partir de estos sitios de nucleación y posteriormente se recoció a 3000 K y luego se apagó. Basándose en este modelo, descubrieron que las grietas se inician en las uniones de los límites del grano, pero el tamaño del grano no afecta significativamente a la resistencia. En segundo lugar, en 2013, Z. Song et al. utilizaron simulaciones MD para estudiar las propiedades mecánicas del grafeno policristalino con granos de forma hexagonal de tamaño uniforme. Los granos hexagonales estaban orientados en varias direcciones de la red y los GB consistían únicamente en anillos de carbono heptágonos, pentágonos y hexagonales. La motivación detrás de este modelo fue que se habían observado experimentalmente sistemas similares en escamas de grafeno cultivadas en la superficie del cobre líquido. Si bien también observaron que el crack generalmente se inicia en las uniones triples, descubrieron que a medida que disminuye el tamaño del grano, aumenta el límite elástico del grafeno. Con base en este hallazgo, propusieron que el policristalino sigue una pseudo relación Hall-Petch. En tercer lugar, en 2013, Z. D. Sha et al. estudiaron el efecto del tamaño de grano en las propiedades del grafeno policristalino, modelando los parches de grano utilizando la construcción de Voronoi. Los GB en este modelo consistían en heptágono, pentágono y hexágono, así como cuadrados, octágonos y vacantes. Mediante simulación MD, al contrario del estudio mencionado anteriormente, encontraron la relación inversa de Hall-Petch, donde la resistencia del grafeno aumenta a medida que aumenta el tamaño del grano. Las observaciones experimentales y otras predicciones teóricas también arrojaron conclusiones diferentes, similares a las tres mencionadas anteriormente. Tales discrepancias muestran la complejidad de los efectos que el tamaño de grano, la disposición de los defectos y la naturaleza de los defectos tienen sobre las propiedades mecánicas del grafeno policristalino.
La elevada reactividad química de los límites de los granos de grafeno hace que el grafeno policristalino sea un candidato ideal para sensores químicos. Sin embargo, la presencia de grupos funcionales e impurezas en los límites de los granos puede alterar las propiedades del grafeno policristalino. Los límites de grano funcionalizados por oxígeno y grupo hidroxilo muestran una mayor resistencia al transporte de carga. La adsorción de átomos de hidrógeno en los límites de los granos reduce significativamente la resistencia de las láminas de grafeno policristalino.
Química
(feminine)El grafeno tiene una superficie específica teórica (SSA) de 2630 m2/g. Esta cifra es mucho mayor que la notificada hasta la fecha para el negro de humo (normalmente menor que 900 m2/g). o para nanotubos de carbono (CNT), de ≈100 a 1000 m2/g y es similar al activado carbón. El grafeno es la única forma de carbono (o material sólido) en la que cada átomo está disponible para una reacción química desde dos lados (debido a la estructura 2D). Los átomos en los bordes de una lámina de grafeno tienen una reactividad química especial. El grafeno tiene la proporción más alta de átomos marginales de cualquier alótropo. Los defectos dentro de una hoja aumentan su reactividad química. La temperatura de inicio de la reacción entre el plano basal del grafeno de una sola capa y el oxígeno gaseoso es inferior a 260 °C (530 K). El grafeno se quema a temperaturas muy bajas (por ejemplo, 350 °C (620 K)). El grafeno se modifica comúnmente con grupos funcionales que contienen oxígeno y nitrógeno y se analiza mediante espectroscopia infrarroja y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X. Sin embargo, la determinación de estructuras de grafeno con grupos funcionales de oxígeno y nitrógeno requiere que las estructuras estén bien controladas.
En 2013, físicos de la Universidad de Stanford informaron que el grafeno de una sola capa es cien veces más reactivo químicamente que las láminas multicapa más gruesas.
El grafeno puede reparar automáticamente los agujeros de sus láminas cuando se expone a moléculas que contienen carbono, como los hidrocarburos. Bombardeados con átomos de carbono puro, los átomos se alinean perfectamente en hexágonos, llenando completamente los agujeros.
Biológica
(feminine)A pesar de los resultados prometedores en diferentes estudios celulares y estudios de prueba de concepto, todavía no se comprende completamente la biocompatibilidad total de los materiales basados en grafeno. Diferentes líneas celulares reaccionan de manera diferente cuando se exponen al grafeno, y se ha demostrado que el tamaño lateral de las escamas de grafeno, la forma y la química de la superficie pueden provocar diferentes respuestas biológicas en la misma línea celular.
Hay indicios de que el grafeno es prometedor como material útil para interactuar con las células neuronales; Los estudios sobre células neurales cultivadas muestran un éxito limitado.
El grafeno también tiene cierta utilidad en osteogénesis. Investigadores del Centro de Investigación de Grafeno de la Universidad Nacional de Singapur (NUS) descubrieron en 2011 la capacidad del grafeno para acelerar la diferenciación osteogénica de las células madre mesenquimales humanas sin el uso de inductores bioquímicos.
El grafeno se puede utilizar en biosensores; En 2015, los investigadores demostraron que se puede utilizar un sensor basado en grafeno para detectar un biomarcador de riesgo de cáncer. En particular, mediante el uso de grafeno epitaxial sobre carburo de silicio, pudieron detectar repetidamente 8-hidroxidesoxiguanosina (8-OHdG), un biomarcador de daño al ADN.
Sustrato de soporte
Las propiedades electrónicas del grafeno pueden verse significativamente influenciadas por el sustrato de soporte. Se han realizado estudios de monocapas de grafeno sobre superficies de silicio (100) (Si(100)/H) limpias y pasivadas con hidrógeno(H). La superficie Si(100)/H no perturba las propiedades electrónicas del grafeno, mientras que la interacción entre la superficie limpia Si(100) y el grafeno cambia significativamente los estados electrónicos del grafeno. Este efecto resulta del enlace covalente entre los átomos de C y Si de la superficie, modificando la red de orbitales π de la capa de grafeno. La densidad local de estados muestra que los estados de superficie enlazados de C y Si están muy perturbados cerca de la energía de Fermi.
Formularios
Hojas monocapa
En 2013 un grupo de científicos polacos presentó una unidad de producción que permite la fabricación de láminas monocapa continuas. El proceso se basa en el crecimiento de grafeno sobre una matriz metálica líquida. El producto de este proceso se denominó Grafeno Metalúrgico de Alta Resistencia. En un nuevo estudio publicado en Nature, los investigadores utilizaron un electrodo de grafeno de una sola capa y una novedosa técnica de espectroscopía no lineal sensible a la superficie para investigar la capa superior de agua en la superficie cargada electroquímicamente. Descubrieron que la respuesta interfacial del agua al campo eléctrico aplicado es asimétrica con respecto a la naturaleza del campo aplicado.
Grafeno bicapa
El grafeno bicapa muestra el anómalo efecto Hall cuántico, una banda prohibida sintonizable y potencial de condensación excitónica, lo que lo convierte en un candidato prometedor para aplicaciones optoelectrónicas y nanoelectrónicas. El grafeno bicapa generalmente se puede encontrar en configuraciones retorcidas donde las dos capas giran entre sí o en configuraciones apiladas de Bernal grafítico donde la mitad de los átomos de una capa se encuentran encima de la mitad de los átomos de la otra. El orden y la orientación del apilamiento gobiernan las propiedades ópticas y electrónicas del grafeno bicapa.
Una forma de sintetizar grafeno bicapa es mediante deposición química de vapor, que puede producir grandes regiones bicapa que se ajustan casi exclusivamente a una geometría de pila de Bernal.
Se ha demostrado que las dos capas de grafeno pueden soportar tensiones importantes o desajustes de dopaje que, en última instancia, deberían conducir a su exfoliación.
Turboestrático
El grafeno turbostrático exhibe un acoplamiento entre capas débil y el espaciado aumenta con respecto al grafeno multicapa apilado por Bernal. La desalineación rotacional preserva la estructura electrónica 2D, como lo confirma la espectroscopia Raman. El pico D es muy débil, mientras que los picos 2D y G siguen siendo prominentes. Una característica bastante peculiar es que la relación I2D/IG puede exceder 10. Sin embargo, lo más importante es que el pico M, que se origina en el apilamiento AB, está ausente, mientras que los modos TS1 y TS2 son visibles en el espectro Raman. El material se forma mediante la conversión de carbono no grafenico en carbono grafeno sin proporcionar suficiente energía para permitir la reorganización mediante el recocido de capas de grafeno adyacentes en estructuras grafíticas cristalinas.
Superredes de grafeno
El grafeno apilado periódicamente y su isomorfo aislante proporcionan un elemento estructural fascinante en la implementación de superredes altamente funcionales a escala atómica, lo que ofrece posibilidades en el diseño de dispositivos nanoelectrónicos y fotónicos. Se pueden obtener varios tipos de superredes apilando grafeno y sus formas relacionadas. Se ha descubierto que la banda de energía en superredes apiladas en capas es más sensible al ancho de la barrera que la de las superredes de semiconductores III-V convencionales. Cuando se agrega más de una capa atómica a la barrera en cada período, el acoplamiento de funciones de onda electrónicas en pozos potenciales vecinos se puede reducir significativamente, lo que conduce a la degeneración de subbandas continuas en niveles de energía cuantificados. Al variar el ancho del pozo, los niveles de energía en los pozos potenciales a lo largo de la dirección L-M se comportan de manera distinta a los de la dirección K-H.
Una superred corresponde a una disposición periódica o cuasi periódica de diferentes materiales, y puede describirse mediante un período de superred que confiere una nueva simetría traslacional al sistema, impactando sus dispersiones de fonones y posteriormente sus propiedades de transporte térmico. Recientemente, se han sintetizado con éxito estructuras monocapa uniformes de grafeno-hBN mediante patrones de litografía junto con deposición química de vapor (CVD). Además, las superredes de grafeno-hBN son sistemas modelo ideales para la realización y comprensión del transporte térmico de fonones coherente (en forma de onda) e incoherente (en forma de partícula).
Nanocintas de grafeno
Las nanocintas de grafeno ("nanorayas" en la orientación "zig-zag"/"zigzag"), a bajas temperaturas, muestran corrientes de borde metálico polarizadas por espín, lo que también sugiere aplicaciones en el nuevo campo de la espintrónica. (En la orientación "sillón", los bordes se comportan como semiconductores).
Puntos cuánticos de grafeno
Un punto cuántico de grafeno (GQD) es un fragmento de grafeno con un tamaño inferior a 100 nm. Las propiedades de los GQD son diferentes de las de los GQD “a granel”. grafeno debido a los efectos de confinamiento cuántico que solo se vuelven evidentes cuando el tamaño es inferior a 100 nm.
Óxido de grafeno
El óxido de grafeno generalmente se produce mediante la exfoliación química del grafito. Una técnica particularmente popular es el método mejorado de Hummer. Utilizando técnicas de fabricación de papel sobre grafito disperso, oxidado y procesado químicamente en agua, las escamas monocapa forman una sola hoja y crean enlaces fuertes. Estas hojas, llamadas papel de óxido de grafeno, tienen un módulo de tracción medido de 32 GPa. La propiedad química del óxido de grafito está relacionada con los grupos funcionales unidos a las láminas de grafeno. Estos pueden cambiar la ruta de polimerización y procesos químicos similares. Las escamas de óxido de grafeno en polímeros muestran propiedades fotoconductoras mejoradas. El grafeno normalmente es hidrofóbico e impermeable a todos los gases y líquidos (hermético al vacío). Sin embargo, cuando se forma una membrana capilar a base de óxido de grafeno, tanto el agua líquida como el vapor de agua fluyen tan rápido como si la membrana no estuviera presente.
En 2022 se realizó una evaluación de los efectos biológicos del óxido de grafeno [2]. Se demostró que el óxido de grafeno en dosis bajas fue evaluado por sus efectos biológicos sobre las larvas y la imagen de Drosophila melanogaster. La administración oral de óxido de grafeno en concentraciones del 0,02-1% tiene un efecto beneficioso sobre la tasa de desarrollo y la capacidad de eclosión de las larvas. La administración a largo plazo de una dosis baja de óxido de grafeno prolonga la vida útil de Drosophila y mejora significativamente la resistencia al estrés ambiental. Estos sugieren que el óxido de grafeno afecta el metabolismo de los carbohidratos y lípidos en la Drosophila adulta. Estos hallazgos podrían proporcionar una referencia útil para evaluar los efectos biológicos del óxido de grafeno, que podría desempeñar un papel importante en una variedad de aplicaciones biomédicas basadas en grafeno.
Modificación química
Los fragmentos solubles de grafeno se pueden preparar en el laboratorio mediante la modificación química del grafito. Primero, el grafito microcristalino se trata con una mezcla ácida de ácido sulfúrico y ácido nítrico. Una serie de pasos de oxidación y exfoliación producen pequeñas placas de grafeno con grupos carboxilo en sus bordes. Éstos se convierten en grupos de cloruro de ácido mediante tratamiento con cloruro de tionilo; a continuación, se convierten en la correspondiente amida de grafeno mediante tratamiento con octadecilamina. El material resultante (capas circulares de grafeno de 5,3 Å o 5,3×10−10 m de espesor) es soluble en tetrahidrofurano, tetraclorometano y dicloroetano.
El óxido de grafeno de una sola capa (SLGO) a reflujo en solventes conduce a la reducción del tamaño y al plegado de láminas individuales, así como a la pérdida de la funcionalidad del grupo carboxílico, hasta en un 20 %, lo que indica inestabilidades térmicas de las láminas de SLGO que dependen de su metodología de preparación. Cuando se utiliza cloruro de tionilo se forman grupos cloruro de acilo, que pueden formar amidas alifáticas y aromáticas con una conversión de reactividad de aproximadamente el 70-80%.
El reflujo de hidrazina se utiliza comúnmente para reducir SLGO a SLG(R), pero las valoraciones muestran que solo se pierden alrededor del 20 al 30 % de los grupos carboxílicos, lo que deja un número significativo disponible para la unión química. El análisis del SLG(R) generado por esta ruta revela que el sistema es inestable y el uso de agitación a temperatura ambiente con HCl (<1,0 M) conduce a una pérdida de aproximadamente el 60 % de la funcionalidad COOH. El tratamiento a temperatura ambiente de SLGO con carbodiimidas conduce al colapso de las láminas individuales en grupos en forma de estrellas que exhibieron una reactividad posterior deficiente con las aminas (c. 3 a 5% de conversión del intermedio en la amida final). Es evidente que el tratamiento químico convencional de grupos carboxílicos en SLGO genera cambios morfológicos de láminas individuales que conducen a una reducción en la reactividad química, lo que potencialmente puede limitar su uso en la síntesis de compuestos. Por tanto, se han explorado los tipos de reacciones químicas. SLGO también ha sido injertado con polialilamina, reticulada mediante grupos epoxi. Cuando se filtran en papel de óxido de grafeno, estos compuestos exhiben una mayor rigidez y resistencia en relación con el papel de óxido de grafeno no modificado.
La hidrogenación total de ambos lados de la hoja de grafeno da como resultado grafeno, pero la hidrogenación parcial conduce a grafeno hidrogenado. De manera similar, la fluoración de ambos lados del grafeno (o la exfoliación química y mecánica del fluoruro de grafito) conduce al fluorógrafo (fluoruro de grafeno), mientras que la fluoración parcial (generalmente halogenación) proporciona grafeno fluorado (halogenado).
Ligando/complejo de grafeno
El grafeno puede ser un ligando para coordinar metales e iones metálicos mediante la introducción de grupos funcionales. Las estructuras de los ligandos de grafeno son similares, p. complejo metal-porfirina, complejo metal-ftalocianina y complejo metal-fenantrolina. Los iones de cobre y níquel se pueden coordinar con ligandos de grafeno.
Fibra de grafeno
En 2011, los investigadores informaron sobre un enfoque novedoso pero simple para fabricar fibras de grafeno a partir de películas de grafeno cultivadas por deposición química de vapor. El método era escalable y controlable, y ofrecía una morfología y una estructura de poros ajustables mediante el control de la evaporación de disolventes con una tensión superficial adecuada. En 2013 se demostraron supercondensadores flexibles de estado sólido basados en estas fibras de grafeno.
En 2015, la intercalación de pequeños fragmentos de grafeno en los espacios formados por láminas de grafeno enrolladas más grandes, después del recocido, proporcionó vías para la conducción, mientras que los fragmentos ayudaron a reforzar las fibras. Las fibras resultantes ofrecieron mejor conductividad térmica y eléctrica y resistencia mecánica. La conductividad térmica alcanzó los 1290 W/m/K (1290 vatios por metro por kelvin), mientras que la resistencia a la tracción alcanzó los 1080 MPa (157 000 psi).
En 2016, se producen fibras continuas de grafeno a escala kilométrica con excelentes propiedades mecánicas y excelente conductividad eléctrica mediante hilado húmedo de alto rendimiento de cristales líquidos de óxido de grafeno seguido de grafitización a través de una estrategia de ingeniería de defectos sinérgica a gran escala. Las fibras de grafeno con rendimientos superiores prometen amplias aplicaciones en textiles funcionales, motores livianos, dispositivos microelectrónicos, etc.
La Universidad Tsinghua de Beijing, dirigida por Wei Fei del Departamento de Ingeniería Química, afirma ser capaz de crear una fibra de nanotubos de carbono que tiene una resistencia a la tracción de 80 GPa (12.000.000 psi).
Grafeno 3D
En 2013, un panal tridimensional de carbono dispuesto hexagonalmente se denominó grafeno 3D, y también se produjo grafeno 3D autoportante. Las estructuras 3D de grafeno se pueden fabricar mediante CVD o métodos basados en soluciones. Una revisión de 2016 realizada por Khurram y Xu et al. proporcionó un resumen de las técnicas más modernas para la fabricación de la estructura 3D del grafeno y otros materiales bidimensionales relacionados. En 2013, investigadores de la Universidad de Stony Brook informaron sobre un nuevo método de reticulación iniciado por radicales para fabricar arquitecturas porosas independientes en 3D de grafeno y nanotubos de carbono utilizando nanomateriales como bloques de construcción sin ninguna matriz polimérica como soporte. Estos andamios/espumas de grafeno 3D (totalmente de carbono) tienen aplicaciones en varios campos, como el almacenamiento de energía, la filtración, la gestión térmica y los dispositivos e implantes biomédicos.
En 2016 se informó sobre la nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) que aparece después de la escisión mecánica del grafito pirolítico. La nanoestructura descubierta es un sistema multicapa de nanocanales huecos paralelos ubicados a lo largo de la superficie y que tienen una sección transversal cuadrangular. El espesor de las paredes del canal es aproximadamente igual a 1 nm. Los campos potenciales de aplicación de BSG incluyen: detectores ultrasensibles, células catalíticas de alto rendimiento, nanocanales para secuenciación y manipulación de ADN, superficies de disipación de calor de alto rendimiento, baterías recargables de rendimiento mejorado, resonadores nanomecánicos, canales de multiplicación de electrones en dispositivos nanoelectrónicos de emisión, alta -sorbentes de capacidad para el almacenamiento seguro de hidrógeno.
También se ha informado sobre grafeno bicapa tridimensional.
Grafeno pilares
El grafeno con pilares es una estructura híbrida de carbono que consiste en una matriz orientada de nanotubos de carbono conectados en cada extremo a una lámina de grafeno. Fue descrito teóricamente por primera vez por George Froudakis y sus colegas de la Universidad de Creta en Grecia en 2008. El grafeno con columnas aún no se ha sintetizado en el laboratorio, pero se ha sugerido que puede tener propiedades electrónicas útiles o como material de almacenamiento de hidrógeno..
Grafeno reforzado
El grafeno reforzado con barras de refuerzo de nanotubos de carbono ("rebar") incrustadas es más fácil de manipular, al tiempo que mejora las cualidades eléctricas y mecánicas de ambos materiales.
Los nanotubos de carbono funcionalizados de pared simple o múltiple se recubren por rotación sobre láminas de cobre y luego se calientan y enfrían, utilizando los propios nanotubos como fuente de carbono. Al calentarlos, los grupos funcionales de carbono se descomponen en grafeno, mientras que los nanotubos se dividen parcialmente y forman enlaces covalentes en el plano con el grafeno, lo que añade fuerza. Los dominios de apilamiento π – π añaden más fuerza. Los nanotubos pueden superponerse, lo que hace que el material sea mejor conductor que el grafeno estándar cultivado mediante CVD. Los nanotubos unen eficazmente los límites de los granos que se encuentran en el grafeno convencional. La técnica elimina mediante epitaxia los restos de sustrato sobre el que se depositaron las láminas posteriormente separadas.
Se han propuesto pilas de unas pocas capas como un reemplazo rentable y físicamente flexible del óxido de indio y estaño (ITO) utilizado en pantallas y células fotovoltaicas.
Grafeno moldeado
En 2015, investigadores de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (UIUC) desarrollaron un nuevo enfoque para formar formas 3D a partir de láminas planas 2D de grafeno. Se superpuso una película de grafeno que había sido empapada en solvente para que se hinchara y se volviera maleable sobre un sustrato subyacente "antiguo". El disolvente se evaporó con el tiempo, dejando una capa de grafeno que había adquirido la forma de la estructura subyacente. De esta manera pudieron producir una variedad de formas microestructuradas relativamente intrincadas. Las características varían de 3,5 a 50 μm. El grafeno puro y el grafeno decorado en oro se integraron con éxito en el sustrato.
Aerogel de grafeno
Un aerogel hecho de capas de grafeno separadas por nanotubos de carbono se midió en 0,16 miligramos por centímetro cúbico. Una solución de grafeno y nanotubos de carbono en un molde se liofiliza para deshidratar la solución, dejando el aerogel. El material tiene una elasticidad y absorción superiores. Puede recuperarse completamente después de una compresión superior al 90% y absorber hasta 900 veces su peso en aceite, a una velocidad de 68,8 gramos por segundo.
Nanobobina de grafeno
En 2015, se descubrió una forma enrollada de grafeno en carbono grafítico (carbón). El efecto espiral se produce por defectos en la rejilla hexagonal del material que hace que gire en espiral a lo largo de su borde, imitando una superficie de Riemann, con la superficie del grafeno aproximadamente perpendicular al eje. Cuando se aplica voltaje a dicha bobina, la corriente fluye alrededor de la espiral, produciendo un campo magnético. El fenómeno se aplica a espirales con patrones en zigzag o de sillón, aunque con diferentes distribuciones de corriente. Las simulaciones por computadora indicaron que un inductor espiral convencional de 205 micrones de diámetro podría combinarse con una nanobobina de sólo 70 nanómetros de ancho, con una intensidad de campo que alcanzaba hasta 1 tesla.
Los nanosolenoides analizados mediante modelos informáticos en Rice deberían ser capaces de producir potentes campos magnéticos de aproximadamente 1 tesla, aproximadamente lo mismo que las bobinas que se encuentran en los altavoces típicos, según Yakobson y su equipo, y aproximadamente la misma intensidad de campo. como algunas máquinas de resonancia magnética. Descubrieron que el campo magnético sería más fuerte en la cavidad hueca de nanómetros de ancho en el centro de la espiral.
Un solenoide fabricado con una bobina de este tipo se comporta como un conductor cuántico cuya distribución de corriente entre el núcleo y el exterior varía con el voltaje aplicado, lo que da como resultado una inductancia no lineal.
Grafeno arrugado
En 2016, la Universidad de Brown introdujo un método para 'arrugar' grafeno, añadiendo arrugas al material a nanoescala. Esto se logró depositando capas de óxido de grafeno sobre una película retráctil, luego encogida, y la película se disolvió antes de encogerse nuevamente sobre otra hoja de película. El grafeno arrugado se volvió superhidrófobo y, cuando se usó como electrodo de batería, se demostró que el material tenía un aumento de hasta un 400% en la densidad de corriente electroquímica.
Producción
Se ha desarrollado una lista cada vez mayor de técnicas de producción para permitir el uso del grafeno en aplicaciones comerciales.
Los cristales 2D aislados no pueden crecer mediante síntesis química más allá de tamaños pequeños, ni siquiera en principio, porque el rápido crecimiento de la densidad de fonones con el aumento del tamaño lateral obliga a los cristalitos 2D a doblarse hacia la tercera dimensión. En todos los casos, el grafeno debe unirse a un sustrato para conservar su forma bidimensional.
Las pequeñas estructuras de grafeno, como los puntos cuánticos y las nanocintas de grafeno, se pueden producir mediante técnicas "de abajo hacia arriba". métodos que ensamblan la red a partir de monómeros de moléculas orgánicas (por ejemplo, ácido cítrico, glucosa). "De arriba hacia abajo" Los métodos, por otro lado, cortan materiales de grafito y grafeno a granel con productos químicos fuertes (por ejemplo, ácidos mixtos).
Mecánico
Exfoliación mecánica
Geim y Novoselov inicialmente utilizaron cinta adhesiva para separar las láminas de grafeno del grafito. Lograr capas únicas generalmente requiere múltiples pasos de exfoliación. Después de la exfoliación, las escamas se depositan sobre una oblea de silicona. Se pueden obtener cristalitos mayores de 1 mm y visibles a simple vista.
A partir de 2014, la exfoliación produjo grafeno con el menor número de defectos y la mayor movilidad de electrones.
Como alternativa, una cuña de diamante monocristalino afilada penetra en la fuente de grafito para dividir las capas.
En 2014, se fabricaron líquidos que contienen grafeno sin oxidar y sin defectos a partir de grafito utilizando mezcladores que producen velocidades de corte locales superiores a 10×104.
La exfoliación por cizallamiento es otro método que, mediante el uso de un mezclador de rotor-estator, ha hecho posible la producción escalable de grafeno sin defectos. Se ha demostrado que, como la turbulencia no es necesaria para la exfoliación mecánica, la molienda de bolas a baja velocidad resulta eficaz en la producción de grafeno soluble en agua y de alto rendimiento.
Exfoliación en fase líquida
La exfoliación en fase líquida (LPE) es un método relativamente simple que implica dispersar grafito en un medio líquido para producir grafeno mediante sonicación o mezcla de alto cizallamiento, seguido de centrifugación. El reapilamiento es un problema con esta técnica a menos que se utilicen solventes con energía superficial adecuada (por ejemplo, NMP).
Agregar un tensioactivo a un solvente antes de la sonicación evita la reapilamiento al adsorberse en la superficie del grafeno. Esto produce una mayor concentración de grafeno, pero eliminar el tensioactivo requiere tratamientos químicos.
LPE da como resultado nanohojas con una amplia distribución de tamaños y espesores aproximadamente en el rango de 1 a 10 monocapas. Sin embargo, se puede utilizar la centrifugación en cascada de líquidos para seleccionar el tamaño de las suspensiones y lograr el enriquecimiento de la monocapa.
La sonicación de grafito en la interfaz de dos líquidos inmiscibles, sobre todo heptano y agua, produjo películas de grafeno a macroescala. Las láminas de grafeno se adsorben en la interfaz de alta energía entre los materiales y se evita que se vuelvan a apilar. Las láminas son hasta aproximadamente un 95 % transparentes y conductoras.
Con parámetros de escisión definidos, la nanoestructura de grafeno en forma de caja (BSG) se puede preparar sobre cristal de grafito.
Una de las principales ventajas del LPE es que se puede utilizar para exfoliar muchos materiales 2D inorgánicos además del grafeno, p. BN, MoS2, WS2.
División de carbono monocapa
El grafeno se puede crear abriendo nanotubos de carbono mediante corte o grabado. En uno de estos métodos, se abren nanotubos de carbono de paredes múltiples en solución mediante la acción de permanganato de potasio y ácido sulfúrico.
En 2014, el grafeno reforzado con nanotubos de carbono se fabricó mediante recubrimiento por rotación y recocido de nanotubos de carbono funcionalizados.
Otro enfoque rocía buckybolas a velocidades supersónicas sobre un sustrato. Las bolas se abrieron con el impacto y las jaulas abiertas resultantes se unieron para formar una película de grafeno.
Química
(feminine)Reducción de óxido de grafito
P. Boehm informó sobre la producción de escamas monocapa de óxido de grafeno reducido en 1962. El calentamiento rápido del óxido de grafito y la exfoliación producen un polvo de carbono altamente disperso con un pequeño porcentaje de escamas de grafeno.
Otro método es la reducción de películas monocapa de óxido de grafito, p.e. por hidrazina con recocido en argón/hidrógeno con una estructura de carbono casi intacta que permite la eliminación eficiente de grupos funcionales. La movilidad medida del portador de carga superó los 1000 cm/Vs (10 m/Vs).
Al grabar un DVD recubierto de óxido de grafito se produjo una película conductora de grafeno (1.738 siemens por metro) y una superficie específica (1.520 metros cuadrados por gramo) que era muy resistente y maleable.
Se sintetizó una suspensión dispersa de óxido de grafeno reducido en agua mediante un método de deshidratación hidrotermal sin utilizar ningún tensioactivo. El enfoque es sencillo, aplicable industrialmente, respetuoso con el medio ambiente y rentable. Las mediciones de viscosidad confirmaron que la suspensión coloidal de grafeno (nanofluido de grafeno) exhibe un comportamiento newtoniano, y la viscosidad muestra un gran parecido con la del agua.
Sales fundidas
Las partículas de grafito pueden corroerse en sales fundidas para formar una variedad de nanoestructuras de carbono, incluido el grafeno. Los cationes de hidrógeno, disueltos en cloruro de litio fundido, se pueden descargar en varillas de grafito catódicamente polarizadas, que luego se intercalan, pelando láminas de grafeno. Las nanohojas de grafeno producidas mostraban una estructura monocristalina con un tamaño lateral de varios cientos de nanómetros y un alto grado de cristalinidad y estabilidad térmica.
Síntesis electroquímica
La síntesis electroquímica puede exfoliar el grafeno. La variación de un voltaje pulsado controla el espesor, el área de las escamas, el número de defectos y afecta sus propiedades. El proceso comienza bañando el grafito en un disolvente para su intercalación. El proceso se puede seguir monitoreando la transparencia de la solución con un LED y un fotodiodo.
Automontaje hidrotermal
El grafeno se ha preparado utilizando un azúcar (por ejemplo, glucosa, azúcar, fructosa, etc.). Este sustrato "de abajo hacia arriba" La síntesis es más segura, sencilla y respetuosa con el medio ambiente que la exfoliación. El método puede controlar el espesor, desde monocapa hasta multicapa, lo que se conoce como "método Tang-Lau".
Pirólisis de etóxido de sodio
Las cantidades en gramos se produjeron mediante la reacción de etanol con sodio metálico, seguido de pirólisis y lavado con agua.
Oxidación asistida por microondas
En 2012, se informó que la energía de microondas sintetiza directamente grafeno en un solo paso. Este enfoque evita el uso de permanganato de potasio en la mezcla de reacción. También se informó que, con la ayuda de la radiación de microondas, se puede sintetizar óxido de grafeno con o sin agujeros controlando el tiempo de microondas. El calentamiento por microondas puede acortar drásticamente el tiempo de reacción de días a segundos.
El grafeno también se puede producir mediante pirólisis hidrotermal asistida por microondas.
Descomposición térmica del carburo de silicio
Calentar carburo de silicio (SiC) a altas temperaturas (1100 °C) bajo bajas presiones (c. 10−6 torr, o 10−4 Pa) lo reduce a grafeno.
Deposición química de vapor
Epitaxia
El crecimiento epitaxial de grafeno sobre carburo de silicio es una técnica a escala de oblea para producir grafeno. El grafeno epitaxial puede acoplarse a superficies lo suficientemente débilmente (mediante los electrones de valencia activos que crean fuerzas de Van der Waals) para retener la estructura de bandas electrónicas bidimensionales del grafeno aislado.
Una oblea de silicio normal recubierta con una capa de germanio (Ge) sumergida en ácido fluorhídrico diluido elimina los grupos de óxido de germanio que se forman naturalmente, creando germanio terminado en hidrógeno. CVD puede cubrir eso con grafeno.
La síntesis directa de grafeno sobre un aislante TiO2 con alta constante dieléctrica (alta-κ). Se ha demostrado que un proceso CVD de dos pasos cultiva grafeno directamente sobre cristales de TiO2 o nanohojas de TiO2 exfoliadas sin utilizar ningún catalizador metálico.
Sustratos metálicos
El grafeno CVD se puede cultivar en sustratos metálicos como rutenio, iridio, níquel y cobre.
Rollo a rollo
En 2014, se anunció un proceso de fabricación rollo a rollo de dos pasos. El primer paso rollo a rollo produce el grafeno mediante deposición química de vapor. El segundo paso une el grafeno a un sustrato.
Pared fría
Se afirmó que el cultivo de grafeno en un sistema CVD industrial de pared fría con calentamiento resistivo produce grafeno 100 veces más rápido que los sistemas CVD convencionales, reduce los costos en un 99 % y produce material con cualidades electrónicas mejoradas.
Grafeno CVD a escala de oblea
El grafeno CVD es escalable y se ha cultivado sobre un catalizador de película delgada de Cu depositado en obleas estándar de Si/SiO2 de 100 a 300 mm en un sistema Axitron Black Magic. Se logra una cobertura de grafeno monocapa de >95 % en sustratos de oblea de 100 a 300 mm con defectos insignificantes, lo que se confirma mediante un mapeo Raman extenso.
Método de captura de interfaz solvente (SITM)
Informado por un grupo liderado por D. H. Adamson, el grafeno se puede producir a partir de grafito natural preservando al mismo tiempo la integridad de las láminas utilizando el método de captura de interfaz solvente (SITM). SITM utiliza una interfaz de alta energía, como aceite y agua, para exfoliar el grafito y convertirlo en grafeno. El grafito apilado se delamina o se esparce en la interfaz aceite/agua para producir grafeno de pocas capas en un proceso termodinámicamente favorable de la misma manera que los tensioactivos de moléculas pequeñas se esparcen para minimizar la energía interfacial. De esta forma, el grafeno se comporta como un tensioactivo 2D. Se ha informado que SITM es para una variedad de aplicaciones, como espumas conductoras de polímero-grafeno, microesferas conductoras de polímero-grafeno, películas delgadas conductoras y tintas conductoras.
Reducción de dióxido de carbono
Una reacción altamente exotérmica quema magnesio en una reacción de oxidación-reducción con dióxido de carbono, produciendo nanopartículas de carbono que incluyen grafeno y fullerenos.
Aerosol supersónico
Se utilizó aceleración supersónica de gotas a través de una boquilla Laval para depositar óxido de grafeno reducido sobre un sustrato. La energía del impacto reordena los átomos de carbono en grafeno impecable.
Láser
En 2014, un CO
2 se utilizó láser infrarrojo para producir grafeno tridimensional poroso inducido por láser (LIG) redes de películas a partir de películas poliméricas comerciales. El material resultante exhibe una alta conductividad eléctrica y área superficial. El proceso de inducción láser es compatible con los procesos de fabricación rollo a rollo. En 2018 se informó sobre un material similar, las fibras de grafeno inducidas por láser (LIGF).
Calentamiento flash Joule
En 2019, se descubrió que el calentamiento flash Joule (calentamiento electrotérmico transitorio de alta temperatura) era un método para sintetizar grafeno turboestrático en forma de polvo a granel. El método implica convertir electrotérmicamente varias fuentes de carbono, como negro de carbón, carbón y desechos de alimentos, en hojuelas de grafeno a escala micrométrica. Trabajos más recientes demostraron el uso de residuos plásticos mixtos, neumáticos de caucho de desecho y cenizas de pirólisis como materias primas de carbono. El proceso de grafenización se controla cinéticamente y la dosis de energía se elige para preservar el carbono en su estado grafenico (un aporte excesivo de energía conduce a una posterior grafitización mediante recocido).
Implantación de iones
Al acelerar iones de carbono dentro de un campo eléctrico hacia un semiconductor hecho de películas delgadas de níquel sobre un sustrato de SiO2/Si, se crea una arruga/desgarro del tamaño de una oblea (4 pulgadas (100 mm)) /capa de grafeno sin residuos a una temperatura relativamente baja de 500 °C.
Grafeno compatible con CMOS
La integración del grafeno en el proceso de fabricación CMOS, ampliamente utilizado, exige su síntesis directa sin transferencia sobre sustratos dieléctricos a temperaturas inferiores a 500 °C. En el IEDM 2018, investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara demostraron un novedoso proceso de síntesis de grafeno compatible con CMOS a 300 °C, adecuado para aplicaciones de final de línea (BEOL). El proceso implica la difusión de carbono en estado sólido asistida por presión a través de una película delgada de catalizador metálico. Se demostró que las películas de grafeno sintetizadas de gran área exhiben valores de resistividad similares y de alta calidad (mediante caracterización Raman) en comparación con películas de grafeno sintetizadas por CVD a alta temperatura de la misma sección transversal hasta anchos de 20 nm.
Simulación
Además de la investigación experimental del grafeno y de los dispositivos basados en grafeno, su modelado numérico y simulación han sido un tema de investigación importante. La fórmula de Kubo proporciona una expresión analítica para la conductividad del grafeno y muestra que es función de varios parámetros físicos, incluida la longitud de onda, la temperatura y el potencial químico. Además, se ha propuesto un modelo de conductividad superficial, que describe el grafeno como una lámina infinitamente delgada (de dos caras) con una conductividad local e isotrópica. Este modelo permite derivar expresiones analíticas para el campo electromagnético en presencia de una lámina de grafeno en términos de una función diádica de Green (representada mediante integrales de Sommerfeld) y corriente eléctrica excitante. Aunque estos modelos y métodos analíticos pueden proporcionar resultados para varios problemas canónicos con fines de evaluación comparativa, muchos problemas prácticos relacionados con el grafeno, como el diseño de dispositivos electromagnéticos de formas arbitrarias, son analíticamente intratables. Con los recientes avances en el campo de la electromagnetismo computacional (CEM), se han puesto a disposición varios métodos numéricos precisos y eficientes para el análisis de las interacciones campo electromagnético/onda en láminas de grafeno y/o dispositivos basados en grafeno. Se propone un resumen completo de las herramientas computacionales desarrolladas para analizar dispositivos/sistemas basados en grafeno.
Análogos del grafeno
Los análogos del grafeno (también conocidos como "grafeno artificial") son sistemas bidimensionales que exhiben propiedades similares al grafeno. Los análogos del grafeno se estudian intensamente desde su descubrimiento en 2004. Se intenta desarrollar sistemas en los que la física sea más fácil de observar y manipular que en el grafeno. En esos sistemas, los electrones no siempre son las partículas que se utilizan. Podrían ser fotones ópticos, fotones de microondas, plasmones, polaritones de microcavidades o incluso átomos. Además, la estructura de panal en la que evolucionan esas partículas puede ser de naturaleza diferente a la de los átomos de carbono del grafeno. Puede ser, respectivamente, un cristal fotónico, un conjunto de varillas metálicas, nanopartículas metálicas, una red de microcavidades acopladas o una red óptica.
Aplicaciones
El grafeno es un conductor transparente y flexible que resulta muy prometedor para diversas aplicaciones de materiales/dispositivos, incluidas células solares, diodos emisores de luz (LED), dispositivos de circuitos fotónicos integrados, paneles táctiles y ventanas o teléfonos inteligentes. Ya están en el mercado productos para teléfonos inteligentes con pantallas táctiles de grafeno.
En 2013, Head anunció su nueva gama de raquetas de tenis de grafeno.
A partir de 2015, hay un producto disponible para uso comercial: un polvo para impresora con infusión de grafeno. Se han propuesto o están en desarrollo muchos otros usos del grafeno, en áreas que incluyen la electrónica, la ingeniería biológica, la filtración, los materiales compuestos livianos/resistentes, la energía fotovoltaica y el almacenamiento de energía. El grafeno se produce a menudo en forma de polvo y dispersión en una matriz polimérica. Esta dispersión supuestamente es adecuada para compuestos avanzados, pinturas y revestimientos, lubricantes, aceites y fluidos funcionales, condensadores y baterías, aplicaciones de gestión térmica, materiales y embalajes de visualización, células solares, tintas e impresoras 3D. materiales, barreras y películas.
El 2 de agosto de 2016, se dice que el nuevo modelo Mono de BAC estará hecho de grafeno como el primero de un auto de pista legal para la calle y de un auto de producción.
En enero de 2018, se demostraron por primera vez en la Universidad de California, Santa Bárbara, dirigidos por Kaustav Banerjee, inductores espirales basados en grafeno que explotan la inductancia cinética a temperatura ambiente. Se predijo que estos inductores permitirían una miniaturización significativa en aplicaciones de circuitos integrados de radiofrecuencia.
El potencial del grafeno epitaxial sobre SiC para metrología se ha demostrado desde 2010, mostrando una precisión de cuantificación de la resistencia cuántica Hall de tres partes por mil millones en grafeno epitaxial monocapa. A lo largo de los años, se han demostrado precisiones de partes por billón en la cuantificación de la resistencia de Hall y las gigantescas mesetas cuánticas de Hall. Los avances en la encapsulación y el dopaje del grafeno epitaxial han llevado a la comercialización de estándares de resistencia cuántica del grafeno epitaxial.
Se siguen investigando y explorando nuevos usos del grafeno. Uno de esos usos es en combinación con resinas epoxi a base de agua para producir recubrimientos anticorrosivos. La naturaleza de van der Waals del grafeno y otros materiales bidimensionales (2D) también permite heteroestructuras de van der Waals y circuitos integrados basados en la integración de materiales 2D de van der Waals.
Toxicidad
Una revisión sobre la toxicidad del grafeno publicada en 2016 por Lalwani et al. Resume los efectos in vitro, in vivo, antimicrobianos y ambientales y destaca los diversos mecanismos de la toxicidad del grafeno. Otra revisión publicada en 2016 por Ou et al. se centró en nanomateriales de la familia del grafeno (GFN) y reveló varios mecanismos típicos, como la destrucción física, el estrés oxidativo, el daño del ADN, la respuesta inflamatoria, la apoptosis, la autofagia y la necrosis.
Un estudio de 2020 demostró que la toxicidad del grafeno depende de varios factores, como la forma, el tamaño, la pureza, los pasos del procesamiento posterior a la producción, el estado oxidativo, los grupos funcionales, el estado de dispersión, los métodos de síntesis, la vía y la dosis de administración, y tiempos de exposición.
En 2014, una investigación de la Universidad de Stony Brook demostró que las nanocintas de grafeno, las nanoplaquetas de grafeno y las nanocebollas de grafeno no son tóxicas en concentraciones de hasta 50 μg/ml. Estas nanopartículas no alteran la diferenciación de las células madre de la médula ósea humana hacia osteoblastos (hueso) o adipocitos (grasa), lo que sugiere que en dosis bajas las nanopartículas de grafeno son seguras para aplicaciones biomédicas. En 2013, una investigación de la Universidad de Brown descubrió que escamas de grafeno de pocas capas de 10 μm pueden perforar las membranas celulares en solución. Se observó que ingresaban inicialmente a través de puntas afiladas y dentadas, lo que permitía la internalización del grafeno en la célula. Los efectos fisiológicos de esto siguen siendo desconocidos y este sigue siendo un campo relativamente inexplorado.