GRAFENO BORRADOR

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GRAFENO

[GRAFENO]FIME UNAC

Ao de la Promocin de la Industria Responsable y del Compromiso Climtico

Ingeniera de Materiales IINGENIERA MECNICAGRAFENO

DOCENTE:ING. PABLO MAMANI CALLACURSO: INGENIERA DE MATERIALES IESCUELA: MECNICAAULA: 12004G.H.: 01MBellavista, mircoles 28 de mayo de 2014Nuevos Materiales Historia Propiedades AplicacionesALUMNO: JONATAN CHIPANA GALVNCODIGO: 1227120163UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAOFACULTAD DE INGENIERA Y MECNICA

Contenido2.OBJETIVOS53.FICHA TCNICA54.DEFINICIN65.HISTORIA76.PROPIEDADES96.1.Estructura96.2.Qumica96.3.Fsica106.4.Electrnica106.4.1.Espectro electrnico116.4.2.Relacin de dispersin116.4.3.Propagacin de la onda de un solo tomo126.4.4.Conductividad126.4.5.Campos magnticos fuertes126.4.6.Efecto Casimir136.4.7.Fuerzas de Van der Waals136.4.8.Electrones masivos"136.4.9.Transporte de electrones136.5.ptica146.5.1.Absorcin saturable146.5.2.Efecto no lineal Kerr146.5.3.Excitnica156.6.Trmica156.6.1.Estabilidad156.6.2.Conductividad156.7.Mecnica156.7.1.Transporte de Spin166.8.Formas166.8.1.Nanolneas166.8.2.xido166.8.3.Modificaciones qumicas176.8.4.Bicapa186.8.5.Fibra186.8.6.3D186.8.7.Reforzado186.9.Tcnicas de produccin186.9.1.Exfoliacin186.9.2.Epitaxia196.9.3.Nanotubos cortados206.9.4.Reduccin del dixido de carbono206.9.5.Recubrimiento por centrifugacin217.APLICACIONES POTENCIALES DEL GRAFENO217.1.Medicina217.1.1.Reaccin en cadena de la polimerasa217.1.2.Bioaparatos217.2.Electrnica227.2.1.Transistores237.2.2.Electrodos conductores transparentes247.3.Redox247.4.Desalinizacin257.4.1.Sensor Molecular257.5.Puntos cunticos257.6.Multiplicador de Frecuencia257.7.Procesamiento de Luz257.7.1.Modulador ptico257.7.2.Deteccin de luz infrarroja267.8.Aditivo refrigerante267.9.Material de Referencia.267.10.Gestin trmica267.11.Energa267.11.1.Destilacin del etanol267.11.2.Celdas solares277.12.Almacenamiemto de energa287.12.1.Supercondensador287.12.2.Electrodo para bateras Li-ion287.12.3.Almacenamiento de hidrgeno287.12.4.Batera recargable287.13.Ingeniera de piezoelectricidad297.14.Aplicaciones en radiofrecuencia297.14.1.Absorcin de las ondas de radio297.14.2.Nanoantenas297.15.Transductores de sonido297.16.Impermeabilidad al agua297.17.Cables de alta velocidad307.18.Pantallas tctiles flexibles307.19.Audfonos y parlantes ms que profesionales308.CONCLUSIONES329.FUENTES33

INTRODUCCIN

La palabra "elemento"[footnoteRef:1] procede de la ciencia griega[footnoteRef:2], pero su nocin moderna apareci a lo largo del siglo XVII, aunque no existe un consenso claro respecto al proceso que condujo a su consolidacin y uso generalizado. Algunos autores citan como precedente la frase de Robert Boyle en su famosa obra El qumico escptico, donde denomina elementos "ciertos cuerpos primitivos y simples que no estn formados por otros cuerpos, ni unos de otros, y que son los ingredientes de que se componen inmediatamente y en que se resuelven en ltimo trmino todos los cuerpos perfectamente mixtos". En realidad, esa frase aparece en el contexto de la crtica de Robert Boyle a los cuatro elementos aristotlicos. [1: Elemento: Principio fsico o qumico que entra en la composicin de los cuerpos, segn la RAE.] [2: Aunque la concepcin sea griega, elemento viene del latn elementum]

A lo largo del siglo XVIII, las tablas de afinidad recogieron un nuevo modo de entender la composicin qumica, que aparece claramente expuesto por Lavoisier en su obra Tratado elemental de qumica. Todo ello condujo a diferenciar en primer lugar qu sustancias de las conocidas hasta ese momento eran elementos qumicos, cules eran sus propiedades y cmo aislarlas.El descubrimiento de gran cantidad de materiales, as como el estudio de sus propiedades, pusieron de manifiesto algunas semejanzas entre ellos, lo que aument el inters de los qumicos por buscar algn tipo de clasificacin.

GRAFENOOBJETIVOSConocer la historia y propiedades del material grafenoAplicar la teora del material y sus reacciones qumicas a las nuevas tecnologas.FICHA TCNICA

EL GRAFENO

Comn

NombreEl grafeno

ElementoCarbono

Nombres tradicionalesMonocapa de grafito

Los mtodos de preparacinLa escisin mecnica [footnoteRef:3] [3: Katsnelson M. I. Graphene: Carbon in Two Dimensions. New York: Cambridge University Press, 2012. 366 p. ISBN 978-0-521-19540-9]

Estructura

Estructura cristalinaRed hexagonal [footnoteRef:4] [4: Ibid. Pag 366]

La constante de red0246 nm

Propiedades qumicas

Frmula qumicaC N

Compuestos conocidos(CH) n , (CF) n

Propiedades electrnicas

La masa efectiva deelectrones0 m e

La masa efectiva deagujeros0 m e

La estructura de bandas

Propiedades ProvodyashieSemimetal

Bandgap0 eV

El grafeno es una estructura de panal de abejas a escala atmica hecha de tomos de carbono. El grafeno es carbn puro en forma de una lmina muy delgada casi transparente, bsicamente de un tomo de grosor. Es extraordinariamente duro para su escaso peso (100 veces ms duro que el acero) y conduce el calor y la electricidad con gran eficacia. Mientras los cientficos haban teorizado sobre el grafeno durante dcadas, fue producido por primera vez en el laboratorio en el 2004. Debido a que es prcticamente bidimensional, interacta extraamente con la luz y otros materiales Los investigadores han identificado su efecto de transistor de unin bipolar, transporte balstico de cargas y grandes oscilaciones cunticas. Tcnicamente, el grafeno es una forma alotrpica cristalina de carbono con propiedades bidimensionales. En el grafeno, los tomos de carbono estn densamente empaquetados patrn consolidado regular a escala atmica de tela metlica (hexagonal) sp2. El grafeno puede ser descrito como una capa de grafito de un tomo de grosor. Es el elemento estructural bsico de otros altropos, incluyendo grafito, carbn, nanotubos de carbono y fullerenos. Tambin se puede considerar como una molcula aromtica indefinidamente grande, el caso lmite de la familia de los hidrocarburos aromticos policclicos planos. La investigacin del grafeno se ha expandido rpidamente desde que la sustancia fue aislada por primera vez en 2004. La investigacin fue bien informada por las descripciones tericas de la composicin, estructura y propiedades del grafeno, que todo se haba calculado desde dcadas antes. El grafeno de alta calidad tambin ha demostrado ser sorprendentemente fcil de aislar, haciendo posible ms investigacin. Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Manchester ganaron el Premio Nobel de Fsica en 2010 por sus innovadores experimentos con respecto al material bidimensional grafeno". DEFINICIN El grafeno" es una combinacin del grafito y el sufijo -eno, el nombre se lo puso Hanns-Peter Boehm, quien describi las lminas de carbono de una sola capa en 1962. El trmino grafeno apareci por primera vez en 1987 para describir una sola hoja de grafito como constituyente de compuestos de intercalacin de grafito (GIC); conceptualmente una GIC es una sal cristalina de intercalacin y el grafeno. El trmino tambin se utiliz en las primeras descripciones de los nanotubos de carbono, as como para el grafeno epitaxial y los hidrocarburos aromticos policclicos. El compendio de la IUPAC de tecnologa establece: previamente, se han utilizado descripciones tales como capas de grafito, capas de carbono u hojas de carbono para el trmino grafeno ... es incorrecto utilizar un trmino que incluye el trmino grafito para una sola capa, lo que implicara una estructura tridimensional. El trmino grafeno debera ser usado slo cuando se analizan las reacciones, las relaciones estructurales u otras propiedades de capas individuales . Geim define grafeno aislado o independiente", como el grafeno es un plano atmico nico de grafito, que - y esto es esencial - est suficientemente aislado de su entorno para ser considerado independiente." Esta definicin es ms restrictiva que la definicin de la IUPAC y se refiere a troceados, transferencias y suspensiones de grafeno. Otras formas de grafeno, como el grafeno crecido en varios metales, pueden llegar a ser independiente si, por ejemplo, son suspendidos o trasladados al dixido de silicio (SiO2) o carburo de silicio (despus de su pasivacin con hidrgeno). El grafeno puede ser considerado un alternante infinito" (solo un anillo de carbono de seis miembros) hidrocarburos aromticos policclicos (HAP). HISTORIA

En 1859 Benjamin Collins Brodie era consciente de la estructura altamente laminar trmicamente reducida del xido de grafito. La estructura del grafito fue resuelta en 1916. por el mtodo relacionado de difraccin de polvo, fue estudiado en detalle por V. Kohlschtter y P. Haenni en 1918, que tambin describe las propiedades del papel de xido de grafito. Su estructura se determin a partir de difraccin de un cristal nico en 1924. La teora de grafeno fue explorada por primera vez por PR Wallace en 1947 como punto de partida para la comprensin de las propiedades electrnicas del grafito en 3D. La ecuacin de Dirac sin masa emergente fue hecha por primera vez por Walter Gordon Semenoff y David P. DeVincenzo y Eugene J. Mele. Semenoff destac la incidencia de un campo magntico de un nivel electrnico Landau con precisin en el punto de Dirac. Este nivel es responsable de la anomala efecto Hall cuntico. Las primeras imgenes TEM del grafito de pocas capas fueron publicadas por G. Reuss y F. Vogt en 1948. Ms tarde, se observaron tambin capas individuales de grafeno en directo mediante microscopa electrnica. Antes del 2004 los compuestos de grafito intercalado se estudiaron bajo un microscopio electrnico de transmisin (TEM). Los investigadores observan ocasionalmente copos de grafito delgados ("pocas capas de grafeno") y, posiblemente, hasta las capas individuales. Un primer estudio detallado de grafito de algunas capas data de 1962. A partir de la dcada de 1970 capas solitarias de grafito fueron cultivadas epitaxialmente encima de otros materiales. Este grafeno epitaxial" consta de un solo tomo de espesor y de una red hexagonal de tomos de carbono sp2-consolidado, como un grafeno independiente. Sin embargo, es importante la transferencia de carga desde el sustrato al grafeno epitaxial, y, en algunos casos, la hibridacin entre los orbitales d" de los tomos del sustrato y orbitales " de grafeno, que altera significativamente la estructura electrnica de grafeno epitaxial. Capas individuales de grafito tambin fueron observadas por microscopa electrnica de transmisin dentro de los materiales a granel, en particular dentro del holln obtenido por exfoliacin qumica. Los esfuerzos para hacer pelculas delgadas de grafito por exfoliacin mecnica comenzaron en 1990, pero nada ms fino de 50 a 100 capas fueron producidas antes del 2004.

Ilustracin 1.Un terrn de grafito, un transistor de grafeno y un dispensador de cinta adhesiva Donacin al Museo Nobel en Estocolmo por Andre Geim y Konstantin Novoselov en 2010. Los intentos iniciales para hacer pelculas de grafito atmicamente delgadas emplean tcnicas de exfoliacin similar al mtodo de dibujo. Se obtuvieron muestras de mltiples capas por debajo a 10 nm de espesor. Viejos papeles fueron recuperados en el que los investigadores trataron de aislar el grafeno a partir de compuestos intercalados. Estos papeles informaron de la observacin de fragmentos de grafito muy delgados (monocapas) posiblemente por microscopa electrnica de transmisin. Ninguna de las anteriores observaciones era suficiente para despertar la fiebre del oro de grafeno", que aguardaba muestras macroscpicas de planos atmicos extrados. Una de las primeras patentes relacionadas con la produccin de grafeno fue presentada en octubre de 2002 (Patente de EE.UU. 7.071.258). Bajo el ttulo, Placas de grafeno a nano-escala", esta patente detalla uno de los primeros procesos de produccin de grafeno a gran escala. Dos aos ms tarde, en 2004 Andre Geim y Kostya Novoselov de la Universidad de Manchester extraen cristalitos individuales de un tomo de espesor desde el grafito a granel. Sacaron capas de grafeno a partir del grafito y los transferidos a un delgado SiO2 sobre una oblea de silicio en un proceso llamado tambin segmentacin micro mecnica o la tcnica de la cinta Scotch. El SiO2 aisl elctricamente el grafeno e interactu dbilmente con l, proporcionando capas de grafeno casi carga neutra. El silicio por debajo del SiO2 puede ser usado como un electrodo de puerta trasera" para variar la densidad de carga en el grafeno en un amplio intervalo. Ellos pueden no haber sido los primeros en utilizar esta tcnica - la patente EE.UU. 6667100, presentada en el 2002, describe cmo procesar, comercialmente disponible, el grafito expandido flexible para conseguir un espesor de grafito de 0,01 milsimas de pulgada. La clave del xito fue alto rendimiento reconocimiento visual de grafeno sobre un sustrato adecuadamente elegido, que ofrece un pequeo pero notable contraste ptico. La tcnica de escisin condujo directamente a la primera observacin del efecto Hall cuntico anmalo en el grafeno, que proporcion evidencia directa del grafeno terico predicho por la fase geomtrica de los fermiones de Dirac sin masa. El efecto se report poco despus por Philip Kim y Yuanbo Zhang en 2005. Estos experimentos comenzaron despus de que los investigadores observaron a los colegas que buscaban el efecto Hall cuntico y fermiones de Dirac en el grafito suelto. A pesar de que el grafeno en el nquel y el carburo de silicio han existido tanto en el laboratorio durante dcadas, el grafeno exfoliado mecnicamente sobre SiO2 proporcion la primera prueba de la naturaleza de los fermiones de Dirac en electrones.

Ilustracin 2. Andre Geim y Konstantin Novoselov, 2010 Geim y Novoselov recibieron varios premios por su investigacin pionera sobre el grafeno, especialmente el Premio Nobel 2010 de Fsica. PROPIEDADES Estructura La estructura atmica aislada del grafeno de una sola capa se estudi por microscopa electrnica de transmisin (TEM) en hojas de grafeno suspendidas entre las barras de una rejilla metlica. Los patrones de difraccin de electrones mostraron la estructura de panal de abeja que se esperaba. El grafeno suspendido tambin mostr una ondulacin" de hoja plana, con una amplitud de alrededor de un nanmetro. Estas ondulaciones pueden ser intrnsecas al material como resultado de la inestabilidad de los cristales de dos dimensiones, o pueden proceder de la suciedad ubicua vista en todas las imgenes de TEM de grafeno. Imgenes de resolucin atmica aislada del espacio real del grafeno de una sola capa de SiO2 sustratos estn disponibles a travs de barridos de microscopa de efecto tnel. Residuo de fotoresinas, que deben ser eliminados para obtener imgenes de resolucin atmica, pueden ser los adsorventes" observados en las imgenes de TEM, y pueden explicar la ondulacin observada. La ondulacin en SiO2 es causada por la conformacin de grafeno para el subyacente SiO2, y no es intrnseca. Las hojas de grafeno en forma slida, por lo general muestran evidencia de difraccin de (002) de capas de grafito. Es el caso de algunas nanoestructuras de pared nica. Sin embargo, el grafeno desestratificado con slo (hk0) anillos ha sido encontrado en el ncleo de cebollas de grafito presolares. Estudios con TEM muestran facetas de defectos en las lminas de grafeno planas y sugieren un papel para la cristalizacin de dos dimensiones a partir de una masa fundida. El grafeno puede autoreparar agujeros de sus hojas, cuando estn expuestos a molculas que contienen carbono, tales como hidrocarburos. Bombardeado con tomos de carbono puro, los tomos se alinean perfectamente en hexgonos, llenando completamente los agujeros. Qumica El grafeno es la nica forma de carbono (y en general de todos los materiales slidos) en el que cada tomo est en exposicin de reaccin qumica a partir de dos lados (debido a la estructura 2D). Se sabe que los tomos de carbono en el borde de las hojas de grafeno tienen una reactividad qumica especial, y el grafeno tiene la proporcin ms alta de carbonos reactivos (en comparacin con materiales similares, tales como nanotubos de carbono). Adems, varios tipos de defectos dentro de la hoja, que son muy comunes, aumentan la reactividad qumica. La temperatura de inicio de la reaccin entre el plano basal de grafeno de una sola capa y de gas de oxgeno est por debajo de 260 C y el grafeno se quema a muy baja temperatura (por ejemplo, 350 C). De hecho, el grafeno es qumicamente la forma ms reactiva de carbono, debido a la disponibilidad lateral de tomos de carbono. El grafeno se modifica comnmente con grupos funcionales que contienen nitrgeno- y oxgeno- y se analisis por espectroscopa de infrarrojo y espectroscopa de fotoelectrones de rayos X. Sin embargo, la determinacin de las estructuras de grafeno con grupos funcionales que contienen nitrgeno- y oxgeno- es una tarea difcil a menos que las estructuras estn bien controladas. En 2013, los fsicos de la Universidad de Stanford informaron que las hojas de grafeno de un tomo de grosor son qumicamente cien veces ms reactivas que las hojas ms gruesas. Fsica La longitud del enlace carbono-carbono en el grafeno es de aproximadamente 0.142 nanmetros. Las hojas de grafeno se apilan para formar grafito con una distancia interplanar de 0.335 nm. Electrnica

Ilustracin 3.Estructura de bandas GNR para la orientacin en zig-zag. Los clculos de unin fuerte muestran que la orientacin de zigzag es siempre metlica.

Ilustracin 4.Estructura de bandas GNR para la orientacin de silln. Clculos de unin fuerte muestran que la orientacin silln puede ser semiconductora o metlica dependiendo del ancho (quiralidad). El grafeno es un semi-metal o de cero dficit de semiconductores. Cuatro propiedades electrnicas lo separan de otros sistemas de materia condensada. Espectro electrnico Los electrones que se propagan a travs del entramado hexagonal del grafeno pierden efectivamente su masa, produciendo cuasi-partculas que se describen por una analoga en 2D de la ecuacin de Dirac en lugar de la ecuacin de Schrdinger para partculas de spin -1/2. Relacin de dispersin Utilizando un modelo de unin fuerte convencional de la relacin de dispersin que produce energa de los electrones con vector de onda k es

Ecuacin 1. Relacin de dispersinCon el vecino ms cercano de salto de energa 0 2,8 eV y el parmetro de red a 2,46. Las bandas de conduccin y de valencia, respectivamente, corresponden a diferentes seales; se tocan en seis puntos, los valores K" de la bidimensional zona de Brillouin hexagonal. Dos de estos seis puntos son independientes, mientras que el resto son equivalentes por simetra. En las proximidades de los puntos K-la energa depende linealmente en el vector de onda, similar a una partcula relativista. Desde una celda primaria de la red que tiene una base de dos tomos, la funcin de onda tiene una estructura de 2 campos espinoriales eficaces. Como consecuencia de ello, de las bajas energas, incluso desatendiendo el verdadero spin, los electrones pueden ser descritos por una ecuacin que es formalmente equivalente a la ecuacin de Dirac sin masa. Por lo tanto, los electrones y los agujeros se denominan fermiones de Dirac y las seis esquinas se denominan los puntos de Dirac. Esta descripcin pseudo-relativista est restringida al lmite quiral, es decir, a la desaparicin resto masa M0, lo que conduce a interesantes caractersticas adicionales:

Ecuacin 2. Anlisis de la dispersin

Aqu vF ~ 106 m / s (0.003 c) es la velocidad de Fermi en el grafeno, que sustituye a la velocidad de la luz en la teora de Dirac; es el vector de las matrices de Pauli, es la funcin de onda de dos componentes de los electrones, y E es su energa. La ecuacin que describe relacin de dispersin lineal de los electrones es

Ecuacin 3. Dispersin lineal.Donde el vector de onda k se mide a partir de los puntos de Dirac (el cero de energa es escogido aqu para coincidir con los puntos de Dirac). La ecuacin utiliza una frmula de matriz pseudospin que describe dos subredes de la red de panal de abeja. Propagacin de la onda de un solo tomo Las ondas de electrones en el grafeno se propagan dentro de una capa de un solo tomo, hacindolos sensibles a la proximidad de otros materiales tales como dielctricos de alta constante , superconductores y ferromagnticos. Conductividad Electrones de grafeno pueden cubrir distancias micrmetricas sin dispersin, incluso a temperatura ambiente. La resistencia elctrica de nanocintas a 40 nanometros de ancho de grafeno epitaxial cambia en pasos discretos en los siguientes principios de la mecnica cuntica. Los electrones viajan balsticamente, similares a los observados en los nanotubos de carbono cilndricos. La conductividad terica de las cintas supera las predicciones en un factor de 10. Los electrones pueden moverse decenas o cientos de micras sin dispersin. Las cintas pueden actuar ms como guas de onda pticas o puntos cunticos, lo que permite que los electrones fluyan sin problemas a lo largo de los bordes de las cintas. Por el contrario, en los conductores tales como el cobre, la resistencia aumenta en proporcin a la longitud como electrones que encuentran impurezas mientras se mueven a travs del conductor. El transporte est dominado por dos modos. Uno de ellos es balstico y de temperatura independiente, mientras que la otra se activa trmicamente. El transporte est protegido de retrodispersin, posiblemente reflejando las propiedades del estado fundamental del grafeno neutral. A temperatura ambiente, la resistencia de ambos modos tiende a aumentar abruptamente en su longitud, la modalidad balstica particular, a 16 micrmetros y el otro a 160 nanmetros (1% de la longitud anterior). Las cintas se hicieron crecer en los bordes de las estructuras tridimensionales grabadas en obleas de carburo de silicio. Cuando las obleas se calentaron a aproximadamente 1000 C (1830 F), el silicio es accionado preferentemente fuera a lo largo de los bordes, formando nanocintas cuya estructura est determinada por el patrn de la superficie en tres dimensiones. Las nanocintas tenan bordes perfectamente lisas, recocidos por el proceso de fabricacin. Las medidas de movilidad de electrones que superan un milln corresponden a una resistencia laminar de un ohm por cuadrado y dos rdenes de magnitud ms bajas que en el grafeno bidimensional. Campos magnticos fuertes

Ecuacin 4. Campos magnticosEn los campos magnticos de ms de 10 Teslas o mesetas adicionales de la conductividad Hall en las que se observan. Tambin se inform de una meseta y de un efecto Hall cuntico fraccionario.

Estas observaciones indican que con la cuadruple degeneracin (dos valle y dos grados de libertad de giro) de los niveles de energa de Landau, esta es levantada parcialmente o completamente. Efecto Casimir El efecto Casimir es una interaccin entre cuerpos neutros disjuntos provocados por las fluctuaciones del vaco electrodinmico. Matemticamente se puede explicar considerando los modos normales de los campos electromagnticos, que dependen explcitamente de las condiciones borde (o uniones) en las superficies de los cuerpos en interaccin. Dado que en el grafeno la interaccin campo / electromagntica es fuerte para un material de un solo tomo de espesor, el efecto Casimir es de inters creciente. Fuerzas de Van der Waals La fuerzas de van der Waals (o fuerzas de dispersin) tambin son inusuales, obedeciendo a una ley de potencia inversa cbica, asinttica en contraste con la de cuarto grado inversa habitual. Electrones masivos" Celda unidad de grafeno tiene dos tomos de carbono idnticas y dos estados de energa cero: uno en el que el electrn reside en el tomo A, el otro en el que el electrn reside en el tomo de B. ambos estados existen con exactamente cero de energa. Sin embargo, si los dos tomos en la celda unitaria no son idnticos, la situacin cambia Hunt et al. Muestran que la colocacin de hBN en contacto con el grafeno puede alterar el potencial sinti en el tomo de A versus B tomo suficiente como para que los electrones desarrollen una masa y la brecha de banda de acompaamiento de unos 30 MeV. La masa puede ser positiva o negativa. Una disposicin que eleva ligeramente la energa de un electrn en el tomo de A con respecto al tomo B le da una masa positiva, mientras que una disposicin que aumenta la energa del tomo de B produce una masa de electrn negativa. Las dos versiones se comportan igual y no se distinguen a travs de espectroscopa ptica. Un electrn que viaja de una regin positiva de masa a una regin negativa masa debe cruzar una zona intermedia, donde la masa se vuelve una vez ms cero. Esta regin est sin vacos y por lo tanto metlico. Modos metlicos que delimitan regiones semiconductoras de masas de distinto signo es un sello distintivo de una fase topolgica y muestran la misma fsica como aislantes topolgicos. Si la masa en el grafeno puede ser controlada, los electrones pueden ser confinadas a regiones sin masa rodendolos de regiones masivas, permitiendo el patrn de puntos cunticos, cables y otras estructuras mesoscpicas. Tambin produce conductores unidimensionales a lo largo del borde. Estos cables estaran protegidos contra la retrodispersin y podra conducir corrientes sin disipacin. Transporte de electrones Los resultados experimentales de las mediciones de transporte muestran que el grafeno tiene una movilidad muy alta de electrones a temperatura ambiente, con los valores reportados en ms de 15.000 cm2 V-1 s-1. Adems, la simetra de la conductancia medida experimentalmente indica que huecos y de electrones movilidades debe ser casi la misma. La movilidad es casi independiente de la temperatura entre 10 K y 100 K, lo que implica que el mecanismo de dispersin dominante es la dispersin de defecto.

ptica

Ilustracin 5. Fotografa del grafeno en luz transmitida. Este cristal de un solo tomo de espesor puede ser visto a simple vista, ya que absorbe aproximadamente el 2,3% de la luz blanca. Una de las propiedades pticas nicas del grafeno es producir una opacidad inesperadamente alta de una monocapa atmica en el vaco, absorbiendo 2,3% de la luz blanca, donde es la constante de estructura fina. Esto es consecuencia de la estructura electrnica de baja energa inusual de grafeno de monocapa que cuenta con bandas de electrones y hoyos cnicos, encontrndose entre s en el punto de Dirac ... [que] es cualitativamente diferente de las bandas masivas cuadrticas ms comunes". Basado en el modelo de banda Slonczewski-Weiss-McClure (swmcc) del grafito, la distancia interatmica, el salto de valor y la frecuencia se anulan cuando la conductancia ptica se calcul utilizando ecuaciones de Fresnel en el lmite de la pelcula delgada. Aunque confirmado experimentalmente, la medicin no es lo suficientemente precisa para mejorar en otras tcnicas para la determinacin de la constante de estructura fina. Absorcin saturable Tal absorcin nica podra llegar a ser saturada cuando la intensidad ptica de entrada est por encima de un valor umbral. Este comportamiento ptico no lineal se denomina absorcin saturable y al valor umbral se le llama fluencia de saturacin. El grafeno puede ser saturado fcilmente bajo fuerte de excitacin sobre la regin visible al infrarrojo cercano, debido a la absorcin ptica universal y brecha de banda cero. Esto tiene relevancia para el modo de bloqueo de los lseres de fibra, donde el modo de bloqueo FullBand se ha logrado mediante absorbente saturable a base de grafeno. Debido a esta propiedad especial, el grafeno tiene una amplia aplicacin en la fotnica ultrarrpida. Efecto no lineal Kerr Bajo iluminacin lser ms intensa, el grafeno tambin podra poseer un desplazamiento de fase no lineal debido al efecto Kerr ptico no lineal. Sobre la base de una medicin de apertura y cierre tpica-Z de exploracin de apertura, el grafeno posee un coeficiente de Kerr no lineal gigante de 10-7 cm2 W-1, casi nueve rdenes de magnitud mayor que la de los dielctricos a granel. Esto sugiere que el grafeno puede ser un medio Kerr no lineal, allanando el camino para grafenos no lineales con efectos fotnicos Kerr como un solitn. Excitnica Los primeros clculos de sus principios con correcciones de cuasipartculas y los efectos de muchos cuerpos se llevan a cabo para estudiar las propiedades electrnicas y pticas de los materiales basados en el grafeno. El enfoque se describe con tres etapas. Con clculo GW, las propiedades de los materiales basados en el grafeno se investigan con precisin, incluyendo el grafeno, nanocintas de grafeno, bordes y superficie funcionalizada de nanocintas de grafeno de silln, hidrgeno saturado nanocintas grafeno silln, efecto Josephson en los cruces del SNS de grafeno con un defecto nico localizado y las propiedades de escala en el silln de nanocintas grafeno. Trmica Estabilidad Clculos iniciales muestran que una hoja de grafeno es termodinmicamente inestable si su tamao es menor de aproximadamente 20 nm ("grafeno es la estructura menos estable hasta alrededor de de los 6000 tomos") y se convierte en el fullereno ms estable (como el grafito) slo para molculas ms grandes que 24.000 tomos. Conductividad A tempertura ambiente la conductividad trmica del grafeno se midi a ser de entre (4,84 0,44) 103 a (5,30 0,48) 103 W m-1 K-1. Estas mediciones, realizadas por una tcnica ptica sin contacto, se hallan en exceso superadas por los medidos para los nanotubos de carbono o diamantes. La composicin isotpica, la proporcin de 12C a 13C, tiene un impacto significativo en la conductividad trmica, donde grafeno 12C isotpicamente puro tiene mayor conductividad que cualquiera de una relacin de istopos de 50:50 o el ratio de origen natural 99:1. Se puede demostrar mediante el uso de la ley de Wiedemann-Franz, que la conduccin trmica es fonn-dominada. Sin embargo, para una tira de grafeno cerrada, una polarizacin de compuerta aplicada causa un cambio de energa de Fermi mucho ms grande que kBT y puede causar la contribucin electrnica para aumentar y dominar sobre la contribucin de fonones a bajas temperaturas. La conductancia trmica balstica del grafeno es isotrpica. Mecnica La hoja de grafeno plana es inestable con respecto al desplazamiento, es decir, en la flexin en una forma cilndrica, que es su estado de menor energa. A partir de 2009, el grafeno pareca ser uno de los materiales ms resistentes conocidos con una resistencia a la rotura de ms de 100 veces mayor que una pelcula de acero hipottica del mismo grosor (fino), con un mdulo de Young (rigidez) de 1 tpa (150 000 000 psi). El anuncio Nobel ilustr esto diciendo que una hamaca de grafeno de 1 metro cuadrado apoyara un gato de 4 kg pero pesara slo lo que uno de los bigotes del gato, a 0,77 mg (aproximadamente 0,001% del peso de 1 m2 de papel). Sin embargo, el proceso de separacin que de grafito, en el que se produce naturalmente, requiere el desarrollo tecnolgico que debe ser lo suficientemente econmico para ser utilizado en procesos industriales. La constante de resorte de hojas de grafeno suspendidas se ha medido utilizando un microscopio de fuerza atmica (AFM).

Transporte de Spin Se afirma que el grafeno es un material ideal para la espintrnica, debido a su pequea interaccin spin-rbita y la casi ausencia de momentos magnticos nucleares en carbono (as como una interaccin hiperfina dbil). Giro elctrico de inyeccin y deteccin de corriente se ha demostrado hasta la temperatura ambiente. Se observ la longitud de centrifugado coherencia por encima de 1 micrmetro a temperatura ambiente, y se observ tambin el control del giro polaridad de la corriente con una puerta elctrica a baja temperatura. Campos magnticos fuertes

Ecuacin 5. Efecto HallEl efecto Hall cuntico del grafeno en los campos magnticos de ms de 10 Teslas o menos revela interesantes caractersticas adicionales. Se observan mesetas adicionales de la conductividad Hall. Adems, se inform de la observacin de una meseta y el efecto Hall cuntico fraccionario.

Estas observaciones indican que con la degeneracin de cuatro veces (dos valle y dos grados de libertad de giro) de los niveles de energa de Landau es levantada parcialmente o completamente. Una hiptesis es que la catlisis magntica de rompimiento de simetras es responsable por levantar la degeneracin. Formas Nanolneas Nanocintas de grafeno ("nanostripes" en la orientacin de zig-zag"), a bajas temperaturas, muestran corrientes de borde metlico de espn polarizado, lo que tambin sugiere aplicaciones en el nuevo campo de la espintrnica. (En la orientacin de silln", los bordes se comportan como semiconductores.) xido Utilizando tcnicas de fabricacin de papel en dispersiones, oxidados y grafito procesada qumicamente en el agua, los copos de monocapa forman una sola hoja y crean fuertes lazos. Estas hojas, llamadas papel de xido de grafeno tienen un mdulo de elasticidad medido de 32 GPa. La propiedad qumica del xido de grafito se relaciona con los grupos funcionales unidos a las hojas de grafeno. Estos pueden cambiar la va de polimerizacin y los procesos qumicos similares. Escamas de xido de grafeno en polmeros exhiben propiedades mejoradas de fotoconductor. Membranas a base de grafeno son impermeables a los gases y lquidos (vaco ajustado). Sin embargo, el agua se evapora a travs de ellos tan rpidamente como si la membrana no estuviese presente. Modificaciones qumicas

Ilustracin 6.Fotografa de xido de grafeno de una sola capa sometida a un tratamiento qumico de alta temperatura.Lo que resulta en el plegamiento de la hoja y la prdida de funcionalidad carboxlico, o por medio de tratamiento carbodiimida a temperatura ambiente, colapsando en grupos en forma de estrella. Los fragmentos solubles del grafeno se pueden preparar en el laboratorio a travs de la modificacin qumica de grafito. En primer lugar, al grafito microcristalino se le trata con una mezcla cida de cido sulfrico y cido ntrico. Una serie de etapas de oxidacin y de exfoliacin producen pequeas placas de grafeno con grupos carboxilo en sus bordes. Estos se convierten en grupos cloruro de cido mediante el tratamiento con cloruro de tionilo; luego de que se convierten en el correspondiente amida grafeno a travs del tratamiento con octadecilamina. El material resultante (capas de grafeno circulares de 5,3 Angstrom de espesor) es soluble en tetrahidrofurano, tetraclorometano y dicloroetano.

Ilustracin 7.Resultados de la titulacin Boehm para diversas reacciones qumicas de xido de grafeno de una sola capa, que revelan la reactividad de los grupos carboxlicos y la estabilidad resultante de las hojas de SLGO despus del tratamiento.

Bicapa El grafeno bicapa muestra el efecto Hall cuntico anmalo, un espacio de banda sintonizable y el potencial de excitnica de condensacin de lo que es un candidato prometedor para aplicaciones optoelectrnicas y nanoelectrnica. Tpicamente se le puede encontrar al grafeno bicapa, ya sea, en configuraciones retorcidas donde las dos capas se hacen girar uno respecto al otro o en el de grafito Bernal apilaadas en configuraciones en las que la mitad de los tomos en una capa sobre la mitad de los tomos en el otro. El orden y la orientacin de apilamiento gobiernan las propiedades pticas y electrnicas del grafeno bicapa. Una manera de sintetizar grafeno bicapa es a travs de la deposicin de vapor qumico, que puede producir grandes regiones bicapa que conforman casi exclusivamente una geometra de pila Bernal. Fibra En 2011, Xinming Li y Hongwei Zhu de la Universidad de Tsinghua reportaron un novedoso enfoque, todava simple, para fabricar fibras de grafeno a partir de la deposicin de vapor qumico pelculas de grafeno crecido. El mtodo era escalable y controlable, entregando la estructura y la morfologa de poro sintonizable mediante el control de la evaporacin de los disolventes con una tensin superficial adecuada. Supercondensadores de estado de todos los slidos flexibles basados en estas fibras de grafeno fueron demostradas en el 2013. 3D En 2013, a un panal tridimensional de carbono dispuesto hexagonalmente se le denomin grafeno 3D, aunque an no se ha producido el grafeno de 3D autosuficiente. Reforzado El grafeno reforzado con nanotubos de carbono incrustado barras de refuerzo ("barras de refuerzo") es ms fcil de manipular, mientras que la mejora de las cualidades elctricas y mecnicas de ambos materiales. Las pilas de unas pocas capas, se han propuesto como un reemplazo rentable y fsicamente flexible para xido de indio y estao (ITO) utilizado en las pantallas y las clulas fotovoltaicas. Tcnicas de produccin Los cristales 2D aislados no pueden ser cultivadas a travs de la sntesis qumica ms all de pequeos tamaos, incluso en principio, debido a que el rpido crecimiento de la densidad de fonones con cristalitos fuerzas aumentando de tamao lateral en 2D se doble en la tercera dimensin. Exfoliacin Cinta adhesiva La escisin tambin se conoce como exfoliacin. Lograr una sola capa normalmente requiere varios pasos, cada uno de exfoliacin que produce una rebanada con menos capas, hasta que slo queda uno. Geim y Novosolev utilizaron cinta adhesiva para dividir su grafeno. Despus de la exfoliacin de las escamas, estas se depositan sobre una oblea de silicio usando deposicin seca". Cristalitos ms grandes que 1 mm y visibles a simple vista se pueden obtener con la tcnica. Se refiere a menudo como una cinta adhesiva" o mtodo de dibujo". Este ltimo nombre apareci porque la deposicin seca y se asemeja a dibujar con un pedazo de grafito.

Reduccin del xido de grafito La reduccin de xido de grafito fue probablemente el primer mtodo de la sntesis de grafeno. P. Boehm inform que produjeron escamas monocapa de reduccin de xido de grafeno en 1962. Geim reconoci la contribucin de Boehm. El calentamiento rpido del xido de grafito y la exfoliacin altamente dispersa del polvo de carbono con un pequeo porcentaje de copos de grafeno. La sonicacin La aplicacin de una capa de pelcula de xido de grafito en un DVD y quemarlo en una grabadora de DVD produjo una pelcula de grafeno delgado con alta conductividad elctrica (1.738 siemens por metro) y el rea de superficie especfica (1.520 metros cuadrados por gramo) que era muy resistente y maleable. Disolvente asistido La dispersin de grafito en un medio lquido adecuado puede producir grafeno por sonicacin. l grafito se separa de grafeno por centrifugacin, produciendo concentraciones de grafeno inicialmente hasta 0,01 mg / ml en N-metilpirrolidona (NMP) y ms tarde a 2,1 mg / ml en NMP.Solvente / surfactante asistido Adicionar un tensioactivo a un disolvente antes de la sonicacin impide el reapilado mediante la adsorcin a la superficie del grafeno. Esto produce una concentracin de grafeno ms alta, pero la eliminacin de la tensioactivo requiere tratamientos qumicos. Lquidos inmiscibles La sonicacin del grafito en la interfase de dos lquidos inmiscibles, ms notablemente en el heptano y agua, produce pelculas de grafeno a macroescala. Las hojas de grafeno se adsorben a la interfaz de alta energa entre el heptano y el agua, donde se mantienen desde reapilado. Epitaxia La epitaxia se refiere a la deposicin de una capa superpuesta cristalina sobre un sustrato cristalino, donde hay registro entre los dos. En algunos casos las capas de grafeno epitaxial se acoplan a las superficies dbilmente autosuficientes (por las fuerzas de Van der Waals) para mantener la estructura de la banda electrnica bidimensional de grafeno aislados. Un ejemplo de dbilmente acoplada grafeno epitaxial es el crecido en carburo de silicio. Monocapas de grafeno crecidas en carburo de silicio y el iridio estn dbilmente acoplados a estos sustratos (el cmo se mantiene dbilmente es un debate) y la interaccin grafeno-substrato pueden estar ms pasivadas.

Carburo de silicio Calentar carburo de silicio (SiC) a altas temperaturas (> 1100 C) y a bajas presiones (~ 10-6 torr) lo reduce a grafeno. Este proceso produce grafeno epitaxial con dimensiones que dependen del tamao de la oblea.Substratos de metal La estructura atmica de un sustrato metlico puede sembrar el crecimiento de grafeno. Rutenio El grafeno crecido en rutenio tpicamente no produce espesor de capa uniforme. La unin entre la capa de grafeno de la parte inferior y el sustrato puede afectar a las propiedades de la capa. Iridio El grafeno crecido en iridio est unido muy dbilmente, es uniforme en espesor y puede ser muy ordenado. Como en muchos otros sustratos, el grafeno en iridio se ondula ligeramente. Debido al orden de largo alcance de estas ondas, mini vacos en la estructura de la banda electrnica (cono Dirac) se hacen visibles. Nquel Hojas de alta calidad de pocas capas de grafeno superior a 1 cm2 (0.2 pulgadas cuadradas) en el rea se han sintetizado mediante deposicin qumica en fase vapor en pelculas delgadas de nquel con el metano como fuente de carbono. Estas hojas se han transferido con xito a diversos sustratos. Cobre Una mejora de esta tcnica emplea lmina de cobre; a muy baja presin, el crecimiento de grafeno se detiene automticamente despus de formar una sola capa de grafeno. Se pueden crear arbitrariamente grandes pelculas.Pirlisis del etxido de sodio Grandes cantidades de grafeno fueron producidas por la reduccin de etanol por el metal de sodio, seguido por pirlisis del producto etxido y lavado con agua para eliminar las sales de sodio. Silicio / germanio / hidrgeno Una oblea de silicio normal, recubierto con una capa de germanio (Ge) sumergida en cido fluorhdrico diluido tiras de los grupos de xido de germanio que forman naturalmente, la creacin de germanio de hidrgeno-terminado. Nanotubos cortados El grafeno puede ser creado mediante la reduccin de los nanotubos de carbono abiertos. En uno de tales mtodos nanotubos de carbono de pared mltiple son cortados y abiertos en solucin por accin del permanganato de potasio y el cido sulfrico. Reduccin del dixido de carbono Una reaccin altamente exotrmica de quema de magnesio en una reaccin de oxidacin-reduccin con dixido de carbono, la produccin de una variedad de nanopartculas de carbono, incluyendo grafeno y los fullerenos. El reactivo de dixido de carbono puede ser tanto slido (hielo seco) como gaseoso. Los productos de esta reaccin son de carbono y xido de magnesio. Recubrimiento por centrifugacin En el 2014, el grafeno de nanotubos de carbono reforzado fue hecho a travs de recubrimiento por rotacin y recocido nanotubos de carbono funcionalizados. El material resultante era ms fuerte, flexible y ms conductor que el grafeno convencional. APLICACIONES POTENCIALES DEL GRAFENO

Las aplicaciones potenciales del grafeno incluyen pantallas de visualizacin ligeras, delgadas flexibles pero duraderas, circuitos elctricos y clulas solares, as como varios procesos mdicos, qumicos e industriales mejorados o habilitados por el uso de nuevos materiales de grafeno. En 2008, el grafeno producido por exfoliacin fue uno de los ms caros materiales en el Tierra, con una muestra del tamao de la seccin de un cabello humano costaba ms de 1000$ en Abril de 2008 (cerca de 100.000.000$ por cm2) Desde entonces, los procedimientos de exfoliacin se han ampliado, y ahora las compaas venden grafeno en grandes cantidades. El precio del grafeno epitaxial en SiC es dominado por el precio de sustrato, que fue aproximadamente de 100$/cm2 en 2009 Hong y su equipo en Corea del Sur fueron los primeros en sintetizar en gran escala pelculas de grafeno utilizando la deposicin qumica de vapor (CVD) en delgadas capas de nquel, lo cual provoco la investigacin de aplicaciones prcticas, con tamaos de obleas de hasta 30 pulgadas (760mm) reportados. En 2013, la Unin Europea hizo una subvencin de 1 billn de euros para ser utilizada en la investigacin de aplicaciones potenciales del grafeno. En 2013, el consorcio principal del grafeno fue constituido, incluyendo a la Universidad Tecnolgica de Chalmers y otras siete universidades Europeas y centros de investigacin, junto con Nokia. Nokia tambin ha estado trabajando en la tecnologa del grafeno durante varios aos. Medicina Reaccin en cadena de la polimerasa El Grafeno est reportando haber mejorado le PCR por incremento del rendimiento del DNA del producto. Los experimentos revelaron que la conductividad trmica del grafeno podra ser el principal factor detrs de este resultado. Rendimientos de grafeno en el ADN del producto equivalente a control positivo con un 65 % de reduccin en los ciclos PCR. Bioaparatos La qumica modificable del grafeno, gran rea de superficis, espesor atmico y estructura molecular hace a las hojas de grafeno con funcionalidad-anticuerpo un excelente candidato para mamferos y deteccin microbial y dispositivos de diagnstico.

Ilustracin 8.Energa de los electrones con nmero de onda k en grafeno. Calculado con la aproximacin atada ceida. Los estado desocupados (ocupados), coloreados en azul-rojo (amarillo-verde), se tocan entre s sin brecha de energa exactamente encima de los seis vectores k mencionados. La aplicacin ms ambiciosa del grafeno en la biologa es para la secuenciacin electrnica rpida y barata del ADN. La integracin de capas de grafeno (espesor de 0.34 nm) como nano electrodos dentro de un nano poro puede resolver el cuello de botella para la secuenciacin del DNA de una molcula basado en nano poro. El 20 de noviembre de 2013, la Fundacin Bill & Melinda Gates otorg 100.000$ a "desarrollar nuevos materiales elsticos para fabricar condones que contengan nanomateriales como el grafeno". Electrnica Para circuitos integrados, el grafeno tiene una alta movilidad de transporte, as como tambin bajo ruido, permitindole ser usado como el canal en un transistor campo-efecto. Hojas sueltas de grafeno son difciles de producir y an ms difciles de hacer en un substrato apropiado En 2008, el transistor ms pequeo hasta el momento, un tomo de grosor, 10 tomos de ancho, se hizo de grafeno. IBM anunci en diciembre de 2008 que haban fabricado y caracterizado transistores de grafeno operando a frecuencias de GHz En mayo de 2009, un transistor tipo N se anunci, significando que tanto los transistores de grafeno de tipo P y N se haban creado. Un circuito integrado funcional de grafeno fue demostrado - un inversor complementario consistente en un transistor de grafeno con un tipo p y un tipo n. Sin embargo, este inversor sufri de una muy baja ganancia de voltaje. De acuerdo a un reporte en enero del 2010, el grafeno fue aumentado epitaxialmente en SiC en una cantidad y con una calidad apropiada para la produccin en masa de circuitos integrados. A altas temperaturas, el efecto cuntico Hall podra ser medido en estas muestras. IBM construy "procesadores" usando transistores de 100GHz en hojas de grafeno de 2 - pulgadas (51 mm). En junio del 2011, investigadores de IBM anunciaron que haban tenido xito en la creacin del primer circuito integrado basado en grafeno, un radio mezclador de banda ancha. El circuito manejaba frecuencias sobre los 10GHz. Su rendimiento no fue afectado por temperaturas superiores a los 127 grados centgrados. Transistores El grafeno exhibe una pronunciada respuesta a campos elctricos externos perpendiculares, potencialmente formando el efecto campo de los transistores (FET). En 2004 un escrito document FETs con un radio de encendido-apagado de aproximadamente 30 a temperatura ambiente. En 2006 un escrito anunci un FET plano todo- grafeno con puertas laterales. Sus dispositivos mostraron cambios de 2% a temperaturas criognicas. El primer tope de FET cerrado (radio de encendido-apagado menor que 2) fue demostrado en 2007. Nano cintas de grafeno podran demostrar generalmente capacidad para reemplazar al silicio como semiconductor. La patente estadounidense 7015142 para electrnica basada en grafeno se present en el 2006. En el 2008, investigadores del Laboratorio Lincoln del MIT produjeron cientos de transistores en un solo chip y en el 2009, transistores de muy alta frecuencia fueron producidos en el Laboratorio de Investigacin Hughes. Su publicacin demostr un efecto de conmutacin basado en una modificacin qumica reversible de la capa de grafeno que da radio de encendido-apagado mayor que seis rdenes de magnitud. Estas conmutaciones reversibles podran potencialmente ser empleadas in memorias no voltiles. En 2009, los investigadores demostraron cuatro tipos diferentes de puertas lgicas, cada una compuesta por un slo transistor de grafeno. Lo usos prcticos de estos circuitos estn limitados por la pequea ganancia de voltaje que muestran. Normalmente, la amplitud de la seal de salida es 40 veces menor que la de la seal de entrada. Por otra parte, ninguno de estos circuitos ha sido operado a frecuencias mayores de 25 KHz. En el mismo ao, simulaciones numricas ajustadas demostraron que el espacio de banda inducido en transistores de efecto de campo de bicapa de grafeno no es suficientemente grande para transistores de alto rendimiento en aplicaciones digitales, pero puede ser suficiente para aplicaciones de ultra bajo voltaje, cuando aprovechan una arquitectura FET-tnel. En febrero de 2010, los investigadores anunciaron transistores con un ratio de conmutacin de 100 Gigaherzios, superando de lejos los ratios de intentos previstos, y excediendo la velocidad de los transistores de silicio con una longitud de puerta equivalente. Los dispositivos de 240 nanmetros fueron fabricados con equipamiento de fabricacin de silicio convencional. En Noviembre de 2011, los investigadores utilizaron la impresin en 3D (fabricacin adicional) como un mtodo para fabricar dispositivos de grafeno. En 2013, investigadores demostraron la gran movilidad del grafeno en un detector que permite selectividad de ancho de banda de frecuencia en un rango de THz a la regin IR (0.76-33THz), un grupo aparte cre un transistor de velocidad terahertz con caractersticas biestado, esto significa que el dispositivo puede espontneamente cambiar entre dos estados electrnicos. El dispositivo consiste en dos capas de grafeno separadas por una capa aislante de boron nitridede unas pocas capas atmicas de espesor. Los electrones se mueven a travs de esta barrera por un tnel cuntico. Estos nuevos transistores demuestran "conductancia diferencial negativa", mediante la cual la misma corriente elctrica fluye a dos diferentes voltajes aplicados. El grafeno no tiene una energa de espacio de banda, lo cual es un obstculo para su aplicacin en puertas lgicas digitales. Los esfuerzos para inducir un espacio de banda en grafeno va confinamiento cuntico o funcionalizacin superficial no han resultado en grandes avances. La resistencia diferencial negativa experimentalmente observada en transistores campo-efecto de grafeno de diseo "convencional" para la construccin de arquitectura computacional viable no Booleana con el grafeno libre de espacio. La resistencia diferencial negativa - observada bajo ciertos esquemas de polarizacin - es una propiedad intrnseca del grafeno resultante de su estructura de banda simtrica. Los resultados presentan un cambio conceptual en investigaciones del grafeno e indican una ruta alternativa para las aplicaciones del grafeno en procesamiento de informacin. En 2013, investigadores anunciaron la creacin de transistores impresos en plstico flexible que operan a 25 gigahertz, suficiente para circuitos de comunicaciones y que pueden ser fabricados a escala. Los investigadores fabricaron primero las estructuras contenedoras sin grafeno - los electrodos y puertas - en hojas plsticas. Separadamente, siembran grandes hojas de grafeno en metal, entonces las desprenden a travs de peladuras y las transfieren al plstico. Finalmente, tapan la hoja con una capa a prueba de agua. Los dispositivos trabajan despus de haber sido empapados en agua, y son suficientemente flexibles para ser doblados. Electrodos conductores transparentes La alta conductividad elctrica y elevada transparencia ptica del grafeno lo hacen un candidato a electrodos conductores transparentes, requeridos para aplicaciones tales como pantallas tctiles, pantallas de cristal lquido, clulas fotovoltaicas orgnicas y LED orgnicos En particular, la fortaleza mecnica y flexibilidad del grafeno son favorables comparado con el xido de indio estaado, el cual es frgil. Pelculas de grafeno pueden ser depositadas desde una solucin sobre grandes reas. Pelculas de grafeno de pocas capas, de gran rea, continuas, transparentes y altamente conductoras fueron producidas por deposicin qumica de vapor y usadas para aplicacin en dispositivos fotovoltaicos. Un poder de eficiencia de conversin (PCE) sobre 1.71% fue demostrada, la cual es 55.2% del PCE de un dispositivo de control basado en xido de indio estaado. Diodos orgnicos emisores de luz (OLEDs) con nodos de grafeno han sido demostrados. El comportamiento electrnico y ptico de dispositivos basados en grafeno es similar al de dispositivos hechos con xido de indio estaado. Un dispositivo basado en carbn llamado celda electroqumica emisora de luz (LEC) fue demostrado con grafeno derivado qumicamente como ctodo y el polmero conductor PEDOT como nodo. A diferencia de sus predecesores, este dispositivo solo contiene electrodos basados en carbn, sin metal. Redox El xido de grafeno puede ser reducido por reversin y oxidado usando estmulos elctricos. La reduccin controlada y la oxidacin en dos dispositivos que contienen pelculas multicapa de xido de grafeno estn mostrando como resultado el cambio entre xido de grafeno parcialmente reducido y grafeno, un proceso que modifica las propiedades electrnicas y pticas. Estn relacionadas a la resistencia al cambio. Desalinizacin La investigacin sugiere que filtros de grafeno podran superar otras tcnicas de desalinizacin por un margen significativo. Sensor Molecular Tericamente el grafeno hace de excelente sensor debido a su estructura 2D. El hecho de que su volumen entero es expuesto alrededor de su ambiente lo hace muy eficiente para detectar las molculas absorbidas. Sin embargo, similar a los nanotubos de carbn, el grafeno no tiene enlaces libres en su superficie. Molculas gaseosas no pueden ser fcilmente absorbidas en superficies de grafeno, por lo que el grafeno es intrnsecamente insensible. La sensibilidad de los sensores qumicos de gas de grafeno puede ser dramticamente realzada por funcionalizacin, por ejemplo, cubriendo la pelcula con una fina capa de ciertos polmeros. La delgada capa de polmero acta como un concentrador que absorbe molculas gaseosas. La absorcin de molculas introduce un cambio local en la resistencia elctrica de los sensores de grafeno. Aunque este efecto ocurre en otros materiales, el grafeno es superior debido a su alta conductividad elctrica (aun cuando estn presentes pocos portadores) y bajo ruido, lo cual convierte este cambio en resistencia detectable. Puntos cunticos Puntos cunticos de grafeno (GQDs) mantienen todas las diemnsiones menores que 10 nm. su tamao y cristalografa gobiernan sus propiedades electricas, magnticas, pticas y qumicas. GQDs puedens er producidos va nanotoma de grafito o va fodno, rutas basadas en soluciones (Diels-Alder, ciclotrimerizacin y/o reaciones de ciclodeshidrogenacin). GQDs con estructura controlada pueden ser incorporados en aplicaciones en electrnica, optoelectrnica y electromagnticas. Confinamiento cuntico puede ser creado cambiando el ancho de las nanocintas de grafeno (GNRs) en puntos seleccionadas a lo largo de la cinta. Multiplicador de Frecuencia En el 2009, investigadores construyeron un multiplicador de frecuencia experimental de grafeno que tomaba una seal de entrada de cierta frecuencia y sacaba una seal con una frecuencia mltiplo de la de entrada. Procesamiento de Luz Modulador ptico Cuando el nivel Fermi del grafeno es afinado, su absorcin ptica puede ser cambiada. En el 2011, investigadores reportaron el primer modulador ptico basado en grafeno. Operando a 1.2GHz sin controlador de temperatura, este modulador tiene un amplio ancho de banda (desde 1.3 hasta 1.6microm) y pequea huella (aproximadamente 25micrometros)

Deteccin de luz infrarroja El grafeno, reacciona al espectro infrarrojo a temperatura ambiente, aunque con sensibilidad 100 a 100 veces ms baja para aplicaciones prcticas. Sin embargo, dos capas de grafeno separadas por una aislante permitieron un campo elctrico producido por hoyos hechos por electrones foto liberados en una capa para afectar una corriente gastando la otra capa. El procese produce pequeo calentamiento, hacindolo adecuado para el uso en ptica de visin nocturna. El sndwich es suficientemente delgado para ser integrado en dispositivos de mano, computadoras montadas en lentes e incluso en lentes de contacto. Aditivo refrigerante La alta conductividad trmica del grafeno sugiere que este podra ser usado como un aditivo en refrigerantes. Trabajos de investigacin preliminares mostraron que un 5% de grafeno por volumen puede aumentar la conductividad trmica de un fluido base en 86%. Otra aplicacin debido a la aumentada conductividad trmica del grafeno fue hallada en PCR. Material de Referencia. Las propiedades del grafeno sugieren que este es un material de referencia para caracterizacin electro conductivo y material transparente. Una capa de grafeno absorbe 2.3% de luz blanca. Esta propiedad fue usada para definir la conductividad de transparencia que combina hoja de resistencia y transparencia. Este parmetro fue usado para comparar materiales sin el uso de dos parmetros independientes. Gestin trmica En el 2011, investigadores reportaron que una arquitectura multicapa de grafeno en tres dimensiones, alineada verticalmente y funcionalizada puede ser una aproximacin para materiales trmicos interfaciales basados en grafeno (TIMs) con conductividad trmica superior y ultra baja resistencia trmica interfacial entre el grafeno y el metal. Los compuestos de metal-grafeno pueden ser utilizados en materiales trmicos de interfase. Agregando una capa de grafeno a cada lado de una pelcula de cobre se incrementan las propiedades de termoconductvidad del metal en 24%. Esto sugiere la posibilidad de utilizarlos para las interconexiones de semiconductores en los chips de computadora. La mejora es el resultado de cambios en las micro y nanoestructuras del cobre, y no de la accin independiente del grafeno como un canal de conduccin de calor adicional. La alta temperatura de deposicin de vapor qumico estimula el crecimiento del tamao del grano en las pelculas de cobre. Los granos de tamao ms grande mejoran la conduccin del calor. La mejora de la conduccin de calor fue ms pronunciada en las pelculas delgadas de cobre, lo que es til en las interconexiones de cobre encogido. Energa Destilacin del etanol Membranas de xido de grafeno permiten el paso de vapor de agua a travs de ellas, pero son impermeables a otros lquidos y gases. Este fenmeno ha sido usado para la destilacin de vodka en concentraciones superiores de alcohol, en un laboratorio a temperatura ambiente, sin la aplicacin de calor o vaco como se estila en los mtodos de destilacin tradicionales. Promover el desarrollo y comercializacin de tales membranas podra revolucionar las economas de produccin de biodiesel y de la industria del alcohol para bebidas. Celdas solares El grafeno tiene una combinacin nica de alta conductividad elctrica y transparencia ptica, lo que lo hace candidato para su uso en celdas solares. Una simple hoja de grafeno es un semi conductor de cero espacios de banda cuyos portadores de carga son repartidos sobre grandes reas, lo que implica que no ocurre dispersin de los portadores. Como este material solo absorbe el 2.3% de la luz visible, es candidato para aplicaciones que requieren un conductor transparente. El grafeno puede ser ensamblado en una pelcula electrodo con baja aspereza. Sin embargo, las pelculas de grafeno producidas por procesamiento de solucin contienen defectos de retcula y lmites de grano que acta como centros recombinados y disminuye la conductividad elctrica del material. Entonces, estas pelculas deben ser hechas ms delgadas que una capa atmica para obtener hojas resistentes tiles. Esta resistencia aadida puede ser combatida incorporando material de relleno, como una matriz de slice. La reduccin de conductividad elctrica del grafeno puede ser mejorada atando molculas tales como sal de cido de sodio pyrene-1-sulfonica (PyS) y sal disnica de 3, 4, 9,10 - perylenetetracarboxylic diimide bisbenzenesulfonic acido (PDI). Estas molculas, bajo altas temperaturas, facilitan una mejor conjugacin-pi del plano base del grafeno. Las pelculas de grafeno tienen alta transparencia en las visibles y cercanas regiones de infrarrojo y son qumicamente y trmicamente estables. Para el uso comercial del grafeno en celdas solares, se requiere produccin en gran escala. Sin embargo, no hay disponibles procesos escalables para la produccin de grafeno, incluyendo el pelado de grafeno piro ltico o la descomposicin trmica de carburo de silicio. La alta movilidad de carga del grafeno lo recomienda para el uso como colector de carga y transportador en fotovolticos (PV). Ussar el grafeno como un material fotoactivo requiere que su espacio de banda sea de 1.4 - 1.9eV. En el 2010, fueron logradas eficiencias de 12% en celdas individuales de grafeno nanoestructurado - basado en PVs. Segn P. Mukhopadhyay y R.K. Gupta fotovoltaicos orgnicos podran ser "dispositivos en los cuales grafeno semi conductor es usado como el material fotoactivo y grafeno metlico como electrodos conductores". En el 2010, Xinming Li y Hongwei Zhu de la universidad Tsinghua fueron los primeros en reportar celda solar de heterounin grafeno-silicio, donde el grafeno serva como un electrodo transparente e introdujo un campo elctrico cerca de la interfase entre el grafeno y silico tipo-n para ayudar a colectar portadores foto-generados. Ms estudios promueven este nuevo tipo de dispositivo fotovoltaico. Por ejemplo, en 2012 investigadores de la Universidad de Florida reportaron eficiencia de 8.6% para una celda prototipo consistente en una oblea de silico cubierta con una capa de grafeno saturado con trifluoromethanesulfonyl-amide (TFSA). Adems, Xinming Li consigui un dopaje qumico que podra mejorar las caractersticas del grafeno y elevar significativamente la eficiencia de las celdas solares de grafeno-silicio a 9.6% en 2013. En el 2013 otro equipo reclam haber alcanzado 15.6% por ciento usando una combinacin de xido de titanio y grafeno como colector de carga como absorbente de luz solar. El dispositivo es fabricable a temperaturas bajo 150 grados centgrados (302 grados farenheit) usando deposicin basada en solucin. Esto reduce los costos de produccin y ofrece el potencial de uso de plstico flexible. La produccin a grandes escalas de pelcula de grafeno de altsima transparencia por deposicin qumica de vapor fue lograda en 2008. En este proceso, hojas ultra delgadas de grafeno son creadas primero por deposicin de tomos de carbono en forma de pelculas de grafeno en una placa de nquel desde gas metano. Una capa protectora de termoplstico es colocada sobre la capa de grafeno y el nquel que queda debajo es disuelto en un bao cido. El paso final es unir el plstico protector del grafeno a una hoja de polmero flexible la cual puede ser incorporada en una celda OPV. Hojas de grafeno/polmero en rango superior a los 150 centmetros cuadrados y pueden ser usadas para crear arreglos densos de celdas OPV flexibles. Podra eventualmente ser posible correr prensas de impresin cubriendo extensas reas con celdas solares econmicas, mas como prensas de impresin de peridicos (rolo a rollo) El silicio genera solo una corriente de conduccin de un electrn por cada fotn absorbido, mientras el grafeno puede producir mltiples electrones. Celdas solares hechas con grafeno podran ofrecer 60% de eficiencia de conversin - doblando la ms amplia aceptada como la mxima eficiencia de celdas de silicio. Almacenamiemto de energa Supercondensador Debido al gran ratio de superficie respecto de la masa del grafeno, una aplicacin potencial es en las placas conductores de supe condensadores. En febrero de 2013 los investigadores anunciaron una nueva tcnica de producir supe condensadores de grafeno basada en el enfoque de la grabadora de DVD. Electrodo para bateras Li-ion La estabilidad de ciclo de Li-ion ha sido recientemente demostrada en dos- y algunas pocas capas de pelcula de grafeno desarrollados en sustratos de nquel, mientras que una sola capa de pelcula de grafeno ha sido demostrada como una capa de proteccin contra la corrosin en componentes de bateras tales como el envase. Esto crea posibilidades para electrodos flexibles en bateras de micro escala donde el nodo acta como el material activo as como el colector de corriente. Tambin hay nodos de silicio-grafeno en bateras Li-ion. Almacenamiento de hidrgeno La Origami hidrogenacin-asistida del grafeno (HAGO) fue usada para doblar hojas cuadradas de grafeno en forma de jaula que puede almacenar hidrgeno al 9.5% del peso. El departamento de energa de los estados unidos ha fijado como meta el 7.5% de porcentaje de hidrgeno para el 2020. Un campo elctrico hace que la caja se abra y se cierre. Batera recargable Investigadores de la Universidad Northwestern construyeron una pila litio-ion hecha de grafeno y silicio, en la cual supuestamente una carga simple dur ms de una semana y solo tom 15 minutos para cargar.

Ingeniera de piezoelectricidad La teora de simulaciones de densidad funcional predice que depositando ciertos adatoms en grafeno puede hacer que este responda piezoelctricamente a un campo elctrico aplicado en la direccin fuera del plano. Este tipo de ingeniera piezoelctrica localizada es similar en magnitud a materiales piezoelctricos a granel y hace al grafeno un candidato para el control y deteccin en dispositivos a nanoescala. Aplicaciones en radiofrecuencia Absorcin de las ondas de radio Apilar capas de grafeno en un sustrato de cuarzo increment la absorcin de ondas milimtricas (radio) en un 90 por ciento sobre ancho de banda de 125-165GHz, extensible a microondas y frecuencias de bajo-terahertz, mientras permaneca transparente a la luz visible. Por ejemplo, el grafeno podra ser usado como una cobertura de edificios o ventanas para bloquear ondas de radio. La absorcin es el resultado de resonadores Fabry-Perot mutuamente acoplados representados por cada sustrato de grafeno-cuarzo. Un proceso repetido de transferir-y-grabar fue usado para controlas la resistividad de la superficie. Nanoantenas Una nano-antena pasmdica basada en grafeno (GPN) puede operar eficientemente a longitudes de ondas de radio milimtricas. la longitud de onda de superficie plasmon polaritons para una frecuencia dada es varios cientos de veces ms pequea que la longitud de onda de propagacin libre de ondas electromagnticas de la misma frecuencia. Esta velocidad permite que las diferencias de eficiencia de las antenas basadas en grafeno sean de lejos mucho ms pequeas que las alternativas convencionales basadas en metal. Las ms recientes operan a frecuencias entre 100 y 1000 veces ms grandes que GPNs, produciendo como mucho de 0.01 a 0.001 fotones. Una onda electromagntica (EM) dirigida verticalmente a una superficie de grafeno excita el grafeno del grafeno en oscilaciones que interactan con aquellos en el dielctrico en los cuales el grafeno es montado, formando de ese modo una superficie plasmon polaritons (SPP). Cuando la antena se convierte en resonante (un nmero integral de longitudes de onda SPP se fijan dentro de las dimensiones fsicas del grafeno), el acoplamiento SPP/EM incrementa grandemente, transfiriendo eficientemente energa entre los dos. Un arreglo de antena fase de 100 microm de dimetro podra producir vigas de 300GHz en solo unos pocos grados de dimetro, en lugar de los 180 grados de radiacin de una antena convencional de metal de ese tamao. Los usos potenciales incluyen arena inteligente y redes inalmbricas de baja potencia en terabits. Transductores de sonido El grafeno ha sido un proveedor relativamente bueno de respuesta de frecuencia en altavoces de audio y su peso ligero, puede hacerlo conveniente para micrfonos tambin.

Impermeabilidad al agua El grafeno podra ser potencialmente usado en una nueva generacin de dispositivos a prueba de agua cuyos chasis podran no necesitar ser sellados como los dispositivos de hoy.

Cables de alta velocidadInvestigadores de la universidad de cambridge lograron que el grafeno fuera capaz de captar una gran cantidad de luz, lo que se puede utilizar en la creacin de cables de fibra ptica muy veloces que se benefician de otra de las propiedades del material: los electrones se desplazan rpidamente en l. as, se prometen cables de grafeno que podran mover informacin cientos de veces ms rpido que uno actual, lo que podra implementarse en el rea de las telecomunicaciones para la instalacin de redes ms veloces, aumentando as la capacidad y rapidez de internet, la telefona mvil y en definitiva, todas las comunicaciones que se llevan a cabo sobre nuestro planeta. Sper-bateras Quizs uno de los descubrimientos ms emocionantes es el relacionado al campo de las bateras, donde hoy en da la tecnologa permite dispositivos que funcionan durante pocas horas hasta requerir de una carga elctrica que puede durar otras varias horas, degradando la experiencia de uso en telfonos mviles, tabletas y computadoras porttiles.Pantallas tctiles flexiblesAl ser capaz de conducir electrones de muy buena forma casi sin calentarse en el proceso, investigadores de la Universidad de Texas y la Universidad de Corea del Sur descubrieron que una lmina de grafeno puede usarse en el desarrollo de pantallas tctiles, aprovechando el hecho de que una lmina de grafeno puede ser totalmente transparente, ideal para colocar por sobre un panel de pixeles sin disminuir el brillo de su retroiluminado. Adems, esa delgada lmina de grafeno sensible a la conduccin elctrica y que captara nuestros toques puede ser muy flexible, aportando a lo que podran ser futuras pantallas tctiles flexibles, lo que bien podra acompaarse de la tecnologa OLED flexible para el desarrollo de esta clase de tecnologa.Audfonos y parlantes ms que profesionalesQin Zhou y Alex Zettl son dos cientficos de la Universidad de California que quieren revolucionar el mercado del audio gracias a sus audfonos y parlantes de grafeno. La idea es crear un diafragma hecho de grafeno que se coloque en medio de dos electrodos para crear un campo magntico, tras lo cual el grafeno vibra y produce sonido. Segn los investigadores, sin mucho trabajo posterior para "afinar" los audfonos y darles un tratamiento especial, se consigui un sonido a la par de productos actuales de alta calidad. Y como el diafragma de grafeno utiliza una lmina que es muy delgada, el tamao y peso del producto tambin puede ser muy reducido, por lo que podran crearse audfonos de alta calidad que al mismo tiempo sean muy pequeos y livianos.

ILUSTRACIONES

Ilustracin 1.Un terrn de grafito, un transistor de grafeno y un dispensador de cinta adhesiva Donacin al Museo Nobel en Estocolmo por Andre Geim y Konstantin Novoselov en 2010.8Ilustracin 2. Andre Geim y Konstantin Novoselov, 20109Ilustracin 3.Estructura de bandas GNR para la orientacin en zig-zag. Los clculos de unin fuerte muestran que la orientacin de zigzag es siempre metlica.10Ilustracin 4.Estructura de bandas GNR para la orientacin de silln. Clculos de unin fuerte muestran que la orientacin silln puede ser semiconductora o metlica dependiendo del ancho (quiralidad).11Ilustracin 5. Fotografa del grafeno en luz transmitida. Este cristal de un solo tomo de espesor puede ser visto a simple vista, ya que absorbe aproximadamente el 2,3% de la luz blanca.14Ilustracin 6.Fotografa de xido de grafeno de una sola capa sometida a un tratamiento qumico de alta temperatura.17Ilustracin 7.Resultados de la titulacin Boehm para diversas reacciones qumicas de xido de grafeno de una sola capa, que revelan la reactividad de los grupos carboxlicos y la estabilidad resultante de las hojas de SLGO despus del tratamiento.17Ilustracin 8.Energa de los electrones con nmero de onda k en grafeno.22

ECUACIONES

Ecuacin 1. Relacin de dispersin11Ecuacin 2. Anlisis de la dispersin11Ecuacin 3. Dispersin lineal.11Ecuacin 4. Campos magnticos12Ecuacin 5. Efecto Hall16

CONCLUSIONES

Se concluye que el grafeno es un material con muchos usos potenciales pero que an se encuentran en desarrollo. La razn para la cual se vislumbra una gran era revolucionaria con el grafeno es bsicamente por su peculiar estructura plana, la cual le confiere aquellas propiedades de superconductor, dureza y resistencia.En el futuro se espera que el grafeno cause grandes transformaciones en el aspecto tecnolgico de diferentes aparatos para almacenamiento de energa, transistores y procesamiento de luz.

FUENTES

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INGENIERA DE MATERIALESPgina 32