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PÁGINAÍNDICE 11. EL GRAFENO 22. APLICACIONES ELÉCTRICAS DEL GRAFENO

Y SUS DERIVADOS 5Exfoliación fase líquida 6Deposición química de vapor 7El carburo de silicio 8Otros métodos de crecimiento del grafeno 9

2.1 EN CONDUCTORES 112.2 EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS AVANZADOS 13

Electrónica con grafeno 15Electrónica flexible 16Transistores RF 17Lógica de transistor 18

2.3 EN BATERÍAS ULTRARRÁPIDAS 192.4 EN AERONÁUTICA 222.5 EN PANELES SOLARES 232.6 OTRAS APLICACIONES ELÉCTRICAS 24

2.6.1 APLICACIONES EN FOTÓNICA 24Fotodetector 26Modelador óptico 27Generador en modo cerrado láser / Thz 27Controlador de polarización óptica 28Dispositivos fotónicos futuro 29

3. OTRAS APLICACIONES 303.1 EN MEDICINA 30

Biomedicina 30Biosensores 31

3.2 BLINDAJE 323.3 PANTALLAS TÁCTILES FLEXIBLES Y ENROLLABLES 333.4 LOS MÓVILES 353.5 DETECTORES, SENSORES Y METROLOGÍA 353.6 TELECOMUNICACIONES 373.7 INDUSTRIA NAVAL Y AUTOMOTRIZ 383.8 HOGAR 383.9 RETARDADOR DE LLAMA / RESISTENTE AL FUEGO 38

4. CONCLUSIONES 395. BIBLIOGRAFÍA 396. VINCULOS EN LA WEB 39

1. EL GRAFENO

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¿Qué es?

El grafeno es un nuevo material nanométrico bidimensional, obtenido a partir del grafito en2004 por los científicos Andre Geim y Konstantin Novoselov, es una hojuela cuasiplanacon pequeñas ondulaciones, dando la apariencia de un panal de abejas, con un grosor de unátomo de carbono (0,1 nm) (figura 1). Su producción ha estado, hasta hoy restringida anivel laboratorio, posee unas extraordinarias propiedades que exhibe, tales como un efectohall cuántico anómalo, un comportamiento como semiconductor gap superficial y ausenciade localización electrónica, entre otras, las cuales vislumbran que serán de gran utilidad encomputación, electrónica y ecología entre otros muchos.

Figura 1. Formas alotrópicas del carbono. Diamantey grafitos (3D); grafeno (2D); nanotubos (1D);fullerenos (0D).

Propiedades del Grafeno

- Material más resistente del mundo.- Elevada conductividad térmica

(5.300W/mK) y eléctrica(50mΩ/cm). Mejor que el cobre.

- Semiconductor.- Alta elasticidad (módulo elástico: 1TPa) y dureza.- Muy reactivo químicamente (puede reaccionar químicamente con otras sustancias

para formar compuestos)- Soporta radiación ionizante.- Muy ligero (p=1.8 – 2.2 g/cm3), parecido a la fibra de carbono, pero más flexible.- Menor efecto joule que la fibra de carbono, se calienta menos que al conducir los

electrones.- Consume menos electricidad para una misma tarea que el Silicio.

Caracterizar un material es definir sus propiedades con respecto a parámetros físico-químicos, de éstos la dimensionalidad, la conductividad eléctrica, la cualidad microscópica,la continuidad macroscópica, la resistividad y la estabilidad termodinámica son algunos delos más representativos.

El grafeno es un material formado por capas, que comprende desde una hasta 10 capassuperpuestas. Sus propiedades están en función de su dimensionalidad, tomando como basediscriminatoria la especificidad de sus propiedades. El grafeno puede ser clasificado en 3tipos: monocapa, bicapa y multicapa (entre 3 y 10). Sin embargo, presentan un conjunto depropiedades comunes que permiten caracterizar los tres tipos como grafeno.

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El grafeno es el material más fino posible.

Su grosor no excede él de un átomo de carbón, y para todas aplicaciones y utilidades puedeser considerado bidimensional. El grafeno puede ser manipulado para formar estructurastridimensionales que toman sus propias propiedades únicas y prometedoras, una de ellas esel preciado nanotubo.

Transparente

Debido a lo fino que es el grafeno, el puro es transparente. Esta propiedad podrá usarse parafabricar electrodos transparentes usados para crear luz como led's o celulas solaresinfinitamente mejores.

Uno de los materiales más fuertes que existen

Para ser el material más fino posible, el grafeno es también uno de los más fuertes, 200veces más fuerte que el acero.

Las láminas de grafeno obtenidas a partir de EG mediante intercalación y exfoliaciónpresentan una gran superficie y una alta relación de aspecto y cumplen los requisitosimprescindibles para obtener nanocompuestos de alta resistencia. El área superficial teóricade una lámina de grafeno es 2.630-2.965 m2/g. Además, el grafito es uno de los materialesmás duros conocidos por unidad de peso y presenta un valor teórico del módulo de Youngde 1.600 GPa. Por tanto, con estas características estamos ante un importante reforzante demateriales compuestos.

Tanto la resistencia a la tracción como el módulo de Young mejoran mucho cuando sepreparan nanocompuestos poliméricos a partir de derivados de grafito, incluso a porcentajesbajos, como ocurre con los nanocompuestos de PAN y policarbonato con derivados degrafito.

Se han demostrado que a partir de nanocompuestos PMMA-grafeno funcionalizado,además de obtener un aumento en la Tg de 30ºC, consiguen valores del módulo de Young,resistencia a la rotura y estabilidad térmica competitivos con los obtenidos con nanotubosde carbono. En particular, el módulo elástico a temperatura ambiente, medido a partir de lacurva del módulo de almacenamiento, aumenta un 33% para una concentración de 0,01%en peso en grafeno funcionalizado respecto al polímero inicial. Estos resultados indican quela morfología y la funcionalización de grafeno permiten una mejor interacción con elpolímero que los nanotubos de carbono sin funcionalizar o que el tradicional EG, dandolugar a mejores propiedades térmicas y mecánicas a excepcionalmente bajasconcentraciones

A nivel cuántico

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El grafeno presenta nuevas propiedades aún más interesantes que hacen que el electrón secomporte como una partícula sin masa (como los fotones y los fermiones), con unavelocidad unas cuatrocientas veces menor que la de la luz pero mucho mayor que la de loselectrones en los metales, y que permiten realizar en un pequeño trozo de grafeno muchosexperimentos que hasta ahora solo se podían hacer en aceleradores de partículas como elcern.

Este material es extraordinariamente conductor tanto eléctrico como térmico

Sus electrones se mueven cien veces más rápido que en el silicio, es muy transparente,resulta más resistente que el mismo diamante y doscientas veces más que el acero, muyflexible, tan denso, que ni siquiera el gas helio (el átomo más pequeño) lo puede atravesar,muy sensible a cualquier molécula que se deposite en su superficie y todo ello en finísimascapas de un átomo de espesor (un millón de veces más fino que una hoja de papel).

Otra interesante propiedad es que si al grafeno se le aplica una señal eléctrica de ciertafrecuencia, genera otra onda del doble o el triple de frecuencia (es un multiplicador defrecuencias) por lo que permite trabajar a frecuencias de reloj mucho más altas de lasactuales.

Las propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y estructurales del grafeno permitenobtener composites con potenciales aplicaciones en muchos campos debido a suspropiedades mejoradas. El menor precio y mayor disponibilidad de este material hanpermitido que se empiece a considerar como una alternativa a la utilización de nanotubosde carbono como refuerzo en polímeros.

2. APLICACIONES ELÉCTRICAS DEL GRAFENO Y SUS DERIVADOS

Las aplicaciones del grafeno es esencialmente impulsado por los avances en la producciónde grafeno con propiedades adecuadas para la aplicación específica, y esta situación esprobable que continúe durante los próximos años o al menos hasta que cada una de susmuchas aplicaciones

potencialessatisface sus propias

necesidades.

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Figura 2. Representación esquemática de los avances científicos y tecnológicos a futuro.

Actualmente, hay probablemente una docena de métodos que se utilizan para preparar ydesarrollado grafeno de varias dimensiones, formas, y de calidad. Sería más lógica paraclasificar estos por la calidad de la grafeno resultante (y por lo tanto las posiblesaplicaciones). Figura 3.

Figura 3: Métodos para la producción en masa de grafeno, que permiten una elecciónsignificativa en términos de tamaños, calidad y precio para cualquier aplicación particular

- (i) grafeno planar para los dispositivos electrónicos de alta rendimiento,- (ii) grafeno planar para los dispositivos de menor rendimiento activos y no activos,- (iii) grafeno o partículas de óxido de grafeno reducido para materiales compuestos,

pinturas conductoras, etc.

También hay un gran número de métodos de preparación de grafeno que son difíciles deadoptar para la producción en masa.

Observamos que las propiedades de grafeno dependen mucho de la calidad del material,tipo de defecto, sustrato y materiales de sobre capa, que a su vez se ven afectadas en gran

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medida por el método de producción. Por ejemplo, la movilidad del portador se determinapor dispersión de las impurezas unidas covalentemente, ondas de flexión (fonones),arrugas, y dispersores de Coulomb y la presencia y concentración de tales centros dedispersión depende en gran medida del método de producción del material y del detalle dedispositivo de integración. La calidad del material, a su vez, determina el conjunto deaplicaciones que pueden utilizar grafeno preparado para una técnica particular.

EXFOLIACIÓN FASE LÍQUIDA

El método que conceptualmente es el más cercano a la exfoliación mecánica es laexfoliación fase líquida. En este método el grafito se expone a un disolvente con unatensión superficial que favorece el aumento de la superficie total de cristalitos de grafito. Eldisolvente es típicamente no acuoso, pero las soluciones acuosas con tensioactivo tambiénse pueden utilizar. Con la ayuda de sonicación, el grafito se divide en plaquetasindividuales, y el tratamiento prolongado se obtiene una fracción significativa de copos demonocapa en la suspensión. Separación en un campo centrífugo conduce a unestrechamiento adicional de la distribución del espesor y tamaño, eventualmente lograr unafracción de 80% de monocapas en suspensión.

Un método relacionado es la vía óxido de grafito donde gránulos de grafito se oxidaprimero y a continuación exfoliada en una solución acuosa. La suspensión, después de sutransformación por centrifugación, puede ser depositada como una película fina sobreprácticamente cualquier superficie y reducida (químicamente o térmicamente) de nuevo alestado de grafeno padre. La ventaja de este método es que el tamaño de la partícula típicaes mayor, la fracción de monocapas es mucho mayor y resultan partículas laminadas muchomejores cuando se deposita sobre una superficie deseada. Además, la estabilidad de lassuspensiones acuosas de óxido de grafeno ha mejorado en gran medida, lo que facilita elprocesamiento y la manipulación. La desventaja del método es que la reducción no producegrafeno original de bajo defecto pero si un grafeno con un gran número de defectos.

Tales suspensiones pueden ser fácilmente utilizadas para una serie de aplicaciones noexigentes, donde las propiedades inherentes eléctricas, mecánicas, ópticas y químicaspueden mejorar el rendimiento de los productos existentes. Por lo tanto, las pinturasbasadas en el grafeno y tintas será encontrarán en el camino (o, en algunos casos, se hanencontrado ya) en la electrónica impresa, el blindaje electromagnético, revestimientos debarrera (ya que es impermeable a la mayoría de los gases), la disipación de calor, súpercondensadores, ventanas inteligentes, etc. Una serie de productos basados en partículas sepuede esperar en el mercado dentro de poco tiempo y aplicaciones prototipos para tintasconductoras ya se han demostrado a nivel comercial. Además, algunos productos ya han

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encontrado aplicaciones como, por ejemplo, absorbedores saturados basados en la fase delíquido exfoliado de partículas de grafeno se utilizan con éxito en láseres ultrarrápidos.

DEPOSICIÓN QUÍMICA DE VAPOR

Deposición química de vapor (CVD) es una técnica natural para el crecimiento de altacalidad y bajo costo de materiales. Es una tecnología bien desarrollada, que es ampliamenteutilizado en la industria de los semiconductores. Muy grandes películas uniformes grafenopolicristalinas están siendo cultivadas por ECV en láminas de cobre y películas, y muestranpromesa para muchas aplicaciones. Una de las deficiencias de este proceso, sin embargo, esque requiere la transferencia de material del substrato de cobre a una superficie dieléctrica ode otros sustratos de interés. Aunque este proceso puede ser incómodo y difícil, laproducción de metros cuadrados de grafeno ya se ha logrado. Estas películas también hansido transferidas sobre 200 mm lámina de Si donde el estado de la técnica del dispositivo seha demostrado. En una escala más pequeña que estas películas muestran las propiedades detransporte equivalentes a las del grafeno exfoliada en ambos sustrato de SiO2 y sustrato denitruro de boro hexagonal. Sin embargo, se requieren mejoras adicionales antes de que laspelículas se puedan utilizar en una escala de producción grande.

El método de CVD de crecimiento de grafeno ya está razonablemente bien desarrollado ylisto para ser utilizado para ciertas aplicaciones. A pesar de la presencia de defectos, bordesde grano, inclusiones de las capas más gruesas, etc., tales películas se pueden utilizar paraaplicaciones de pantalla táctil o de protección electromagnética. Además, el crecimientoECV tiene una gran ventaja sobre otros métodos, es decir, ofrece la posibilidad de dopajeprecisa sustitución con boro o nitrógeno mediante la adición de precursores que contienennitrógeno o boro.

En la actualidad, el proceso es algo caro debido al gran consumo de energía y porque lacapa de metal subyacente tiene que ser eliminado. Sin embargo, una serie de procesos seestán desarrollando para disminuir el coste del proceso de transferencia. Una vez que elproceso de transferencia está optimizado es posible que este proceso en efecto seainmejorable y rentable. Una serie de cuestiones deben ser resueltas antes de que latecnología del grafeno ECV pueda llegar a ser universal. El crecimiento en delgadas(decenas de nanómetros) películas de metales que se debe lograr, al mismo tiempo obtenerel control del dominio (grano) tamaño, ondas, nivel de dopaje y el número de capas. Elcontrol del número y la orientación cristalográfica relativa de las capas de grafeno es críticoya que permite definir una serie de aplicaciones que requieren capas dobles, triples y másgruesas incluso de grafeno incluyendo la demostración y, después, la producción dedispositivos electrónicos de alta rendimiento. Al mismo tiempo, el proceso de transferenciadebe ser mejorado y optimizado con los objetivos de minimizar el daño al grafeno y de

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recuperar el metal de sacrificio. A juzgar por el rápido progreso de los últimos años, lasperspectivas son excelentes para estos problemas están resueltos en los próximos años.

El proceso de transferencia puede ser tan complicado como el crecimiento de grafeno en sí.Sin embargo, hay un número de aplicaciones que se basan en el crecimiento deconformación de grafeno sobre la superficie del metal, y no requieren la transferencia degrafeno en absoluto: altas conductividades térmicas y eléctricas permiten grafeno paramejorar fuertemente estas características para el caso de las interconexiones de cobre encircuitos integrados. También, puesto que el grafeno es un material inerte, es una excelentebarrera para la mayoría de los gases, y formando una capa sobre las superficies deconformación con las topografías más complejos: estos recubrimientos de grafeno puedeser utilizado como material para la protección contra la corrosión.

El plan a largo plazo es hacer crecer el grafeno sobre superficies arbitrarias, por ejemplo,utilizando mejoras con plasma CVD u otros métodos. Esto permitiría evitar el complejo ycostoso paso de transferencia y promover una mejor integración de este cristal 2D con otrosmateriales (como Si o GaAs). El trabajo en esta dirección ha hecho más que empezar, perose espera que CV crezca en sustratos aislantes y se convertirá en la técnica de elección enlos próximos años.

EL CARBURO DE SILICIO

El carburo de silicio es un material común utilizado para la electrónica de alta potencia. Seha demostrado que las capas de grafito se pueden cultivar ya sea en el silicio o las caras decarbono de una lámina SiC por sublimación de los átomos de Si dejando así una superficiegrafiticeada. Inicialmente, dicho crecimiento se ejerce sobre la cara terminal C del SiC, conuna pila turboestrática de un gran número de capas policristalinas cultivadas. En los últimosaños este proceso se ha desarrollado hasta el punto de que se puede cultivar un númerocontrolado de las capas de grafeno. La calidad del crecimiento del grafeno puede ser muyalta con cristalitos aproximados a cientos de micras en tamaño.

Los dos inconvenientes principales de este método son el alto costo de las lámibas de SiC ylas altas temperaturas (por encima de 1000 º C) usados, que no son directamentecompatibles con la tecnología del silicio de la electrónica. Hay potencialmente un númerode soluciones para aprovechar el crecimiento de grafeno en carburo de silicio, incluyendo elcrecimiento de SiC sobre Si. Sin embargo, en la actualidad existe una cantidad limitada dedatos sobre este enfoque y requerirá un esfuerzo significativo para que sea una realidad.Como resultado de crecimiento a alta temperatura, el precio de sustrato es alto, y láminasde pequeño diámetro, el uso de grafeno en SiC será probablemente limitado a aplicaciones.Los transistores de alta frecuencia basados en SiC y grafeno crecido podría encontraraplicaciones dentro de una década cuando la tecnología existente basada en materiales III-V

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alcance sus límites en ~ 1THz. Los pequeños transistores de compuerta típicamente usadosserán incluso del tamaño de 20 μm para dichas aplicaciones. Otra muy atractiva, aunquehueca, la aplicación de este tipo de grafeno es en las normas de resistencia metrológico, endonde las muestras de este tipo ya han sido demostradas para ofrecer mayor precisión laresistencia en altas temperatura que utilizan convencionalmente heteroestructuras de GaAs.

Aparte del crecimiento a alta temperatura, que en la actualidad parece ser un problemainsuperable, las otras cuestiones que deben abordarse en la próxima década son laeliminación del crecimiento en escalones de las capas segunda / tercera en los bordes de losescalones (que también contribuyen fuertemente a la dispersión de portadora), el aumentoen el tamaño de los cristalitos y de control de la dopaje no intencional del substrato y capasreguladas.

OTROS MÉTODOS DE CRECIMIENTO DEL GRAFENO

Aunque hay numerosos métodos de crecimiento, en la actualidad es difícil imaginar quevan a ser dominante o comercialmente viable en los próximos 10 años. Sin embargo,algunos de estos métodos tienen ciertas ventajas y debe ser investigado adicionalmente.

Superficie asistida por acoplamiento de los precursores de monómeros moleculares enpolyphenylenes lineales con ciclo de hidrogenación posterior es una manera emocionantede crear nanocintas grafeno y estructuras aún más complejas (como T y en forma de Y), deuna química impulsada de abajo hacia arriba. Actualmente, sin embargo, las estructurascultivadas están interrelacionados con la superficie del metal, lo que hace complicada lainvestigación de las propiedades de transporte. Además, esta técnica todavía no escompatible con las modernas tecnologías de arriba hacia abajo, el uso tan realista de esteenfoque no es de esperar en el corto plazo.

Epitaxia de haz molecular (MBE) se ha utilizado para crecer el grafeno, pero es pocoprobable que se utilice en gran escala debido a su alto costo en comparación con losmétodos de CVD. Puede haber casos en los que se podría prever hacer uso de MBE enrelación con la integración de otros materiales en forma grupal, sin embargo, la altatemperatura y el potencial de contaminación cruzada puede hacer que sea una técnica decrecimiento indeseable.

La ablación con láser es otra técnica de crecimiento potencialmente interesante que permitela deposición de nanoplaquetas de grafeno sobre superficies arbitrarias. Este método podríaencontrar aplicaciones como una capa de protección contra la corrosión, barrera de gas,capas conductoras transparentes y el blindaje electromagnético, etc. Sin embargo, estemétodo es relativamente caro en competencia directa con el revestimiento de pulverizaciónde grafeno exfoliada químicamente, por lo que es poco probable que se utilicen

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ampliamente. Podemos prever su uso para la estructura de múltiples capas, donde grafenoserá parte de montaje más complejo estructura apilada, y en donde la alta pureza requeridano es alcanzable con grafeno químicamente exfoliada.

Método Tamaño decristailtos, μm

Tamaño demuestra, mm

Mobilidad delos portadores

de cargaAplicaciones

ExfoliaciónMecánica >1,000 >1

>2x105cm2/V.s>106cm2/V.s

(@bajo T)investigación

ExfoliaciónQuímica ≤ 0.1

∞ como capasde láminassolapadas

100 cm2/V.s(para una capa

de láminassolapadas)

revestimientopintura/tintas

compositescapas transparentes conductoras

almacenamiento de energíabioaplicaciones

ExfoliaciónQuímica víaÓxido deGrafeno

~ 1∞ como capas

de láminassolapadas

1 cm2/V.s(para una capa

de láminassolapadas)

revestimientopintura/tintas

compositescapas transparentes conductoras

almacenamiento de energíabioaplicaciones

CVD 500 ~1000 104cm2/V.s

Fotónicananoelectrónica

capas transparentes conductorassensores

bioaplicación

SiC 50 100 (6") 104cm2/V.s transistores RFotro dispositivos electrónicos

Tabla 1. Métodos de cultivo o crecimiento del grafeno

2.1 APLICACIONES EN CONDUCTORES

La conductividad eléctrica, en la mayoría de los compuestos conductores, aumenta con elincremento del contenido de la carga. En la mayor parte de los casos la incorporación demuy pequeñas cantidades de componente grafítico (< 1,0 % en peso) en el polímero, llevaconsigo el paso de ser aislante a tener una conducción de alrededor de 10-4 S/cm.

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Figura 4. Electrodos transparentes y flexibles

Las membranas del grafeno pueden soportar átomos de metales pesados, como el oro o elníquel prácticamente sin deformarse. Este nanomaterial presenta uno de los estados másexóticos de la materia: el efecto Hall cuántico fraccional. “En un conductor por el quecircula una corriente, en presencia de un campo magnético perpendicular al movimiento delas cargas, aparece una separación de cargas que da lugar a un campo eléctrico en el interiordel conductor perpendicular al movimiento de las cargas y al campo magnético aplicado. Aeste campo eléctrico se le llama campo Hall.”

Debido a su naturaleza bidimensional, el grafeno tiene la propiedad llamada “chargefractionalization (superconductividad)” esta propiedad es esencial para el desarrollo de lasiguiente generación de informática. Esto permite avances tanto en la informática dequántica (quántum) como en circuitos “anyonic”.

Además, al grafeno no se le puede ubicar ni entre los metales ni en los semiconductores, yaque parece poseer algo de estos dos mundos. Con los metales, el grafeno tiene en comúnque la brecha energética entre la banda de valencia y la de conducción es nula, ello facilitael paso de los electrones desde el cono inferior al cono superior.

Por otra parte, relacionándolo con los semiconductores puede generarse una corriente deelectrones mediante la ocupación del valle del cono superior o bien una corriente de huecosmediante el vaciado de los niveles más energéticos del cono inferior. Las propiedadesespectaculares de las bandas de energía del grafeno lo convierten en un excelente elementode la investigación de fenómenos físicos fundamentales.

El grafeno, actuando como semiconductor estable y bidimensional permite que loselectrones se muevan libremente por el camino que más convenga, no ceñidos a un caminorecto como en los transistores convencionales basados en las capacidades semiconductorasdel silicio, que es empleado para crear pequeñísimos tubos por donde fluye la corrienteeléctrica. Además, al contrario que en otros sistemas bidimensionales que tengan pequeñasimpurezas, en el grafeno los electrones no se pueden quedar aislados en zonas donde nopuedan salir.

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En resumen, el grafeno es un semiconductor que puede operar a escala nanométrica y atemperatura ambiente, con propiedades que ningún otro semiconductor ofrece y todoapunta a que se podrán crear nuevos miniaturizados dispositivos electrónicos insospechadoscon este material, pudiéndonos acercar rápidamente a la prometedora computacióncuántica, por lo que, previsiblemente toda la humanidad se verá favorablemente afectada.

Figura 5. El efecto Hall generador por el grafeno le hace ser un excelente semiconductor

Como parte de la investigación, se ha usado al hidrógeno para modificar el grafenoconductor en un nuevo cristal bidimensional, el grafano.

La adición de un átomo de hidrógeno junto a cada uno de los átomos de carbono en elgrafeno logra producir el nuevo material sin alterar o dañar la construcción distintiva de unátomo de espesor, pero en lugar de ser muy conductor, como el grafeno, el grafano tienepropiedades aislantes.

Figura 6. Grafano, un derivado del Grafeno

Los resultados de los análisis demuestran que el material puede modificarse usando laquímica. La moderna industria de los semiconductores hace uso de muchos materialesdistintos, desde los aislantes a los semiconductores y los metales. Pero ¿qué pasa si un solomaterial se puede modificar para que cubra el espectro completo necesario para lasaplicaciones electrónicas? Imagine una oblea de grafeno con todas las interconexioneshechas del grafeno muy conductivo y prístino, mientras que otras partes se modificanquímicamente para volverse semiconductoras y actuar como los transistores.

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Ésta es probablemente la aplicación más dinámica y realista, ésta área de investigación delgrafeno va a lo largo de varias rutas paralelas. Estas rutas son principalmente determinadopor los grados de revestimiento conductor transparente (TCC) que puede ser producido apartir de grafeno: comenzando por el más barato y accesible para alto rendimiento.

En todo el sector, lo barato es puesto a punto para la producción en masa. La fase deexfoliación líquida permite producir dicho revestimiento sin el uso de la tecnología devacío caro. Aunque la resistencia de estas películas es alta, todavía necesitan mejorar losuficiente para lograr ventanas inteligentes, células solares y algunas aplicaciones depantalla táctil. El grafeno siguen estando por debajo en comparación con tradicionalmenteusado de estaño e indio-óxido en términos de resistencia de la hoja (para aplicaciones querequieren resistencia de la lámina por debajo de 30Ω), pero tiene una ventaja importante -la flexibilidad y la resistencia mecánica - que asegura que los dispositivos basados en elgrafeno probablemente en aplicaciones flexibles. Todavía mejorar el desarrollo yrendimiento son posibles: combinación con alambres de metal / nano-whiskers o nanotubosde carbono; dopaje química de los láminas, etc.

El sector caro es muy probable que se base en el crecimiento de grafeno ECV, a unaevolución satisfactoria de la técnica de transferencia o una técnica de crecimiento degrafeno sobre materiales aislantes. El desarrollo de la técnica probablemente requeriráalgunos años. Podría tener sentido para comenzar a moverse hacia aplicaciones flexibles.Los beneficios adicionales podrían provenir de la capacidad de crecimiento de doble capade grafeno, el grafeno intercalado y el grafeno dopado. Las metas para los próximos años seintercalan heteroestructuras que traería alguna funcionalidad extra.

2.2 APLICACIONES EN DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS AVANZADOS

Reemplazo potencial para los chips de silicio: La clave está en el espín del grafeno, elcual es el elemento que define el tipo de giro de un electrón. El grafeno permite transportarla información sobre ese giro a largas distancias y durante mucho tiempo, permitiendo unnuevo tipo de procesador de información. Así se puede controlar la conducción de loselectrones y amplificar o reducir sus señales eléctricas para crear transistores mucho másrápidos. Este descubrimiento tiene una importante aplicación informática: los ordenadorescon microprocesadores compuestos por transistores de grafeno podrán procesarinformación mucho más rápido y con menos energía que los actuales.

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Figura 7. Circuitos electrónicos transparentes y flexibles

Los diodos orgánicos son usados en nuevas pantallas, más delgadas, de TV, computadoras,teléfonos, y toda clase de dispositivos portátiles. Requieren mucho menos energía que laspantallas de LCD (de cristal líquido).

Las extraordinarias características cuánticas del grafeno permiten el desarrollo de nuevosdispositivos Nanomecánicos ultra miniatura como resonadores, membranas y nanosensorescapaces de detectar moléculas individuales.

Se espera que en el grafeno se puedan obtener puntos cuánticos (estructuras de algunoscientos de átomos donde los electrones están atrapados en un espacio de tres dimensionescomo en un solo átomo, la materia estructurada en puntos cuánticos tiene propiedadescontrolables a voluntad) para utilizarlos como qbits de un computador cuántico, conmuchas más ventajas sobre las técnicas usadas actualmente. Por sus formidablespropiedades electrónicas el grafeno llegará a sustituir a la tecnología del silicio con grandesventajas, entre ellas: mayor posibilidad de miniaturización, mayor potencia y velocidad,mucho menor consumo, integración de los circuitos electrónicos en las mismas pantallas devisualización y de mayor resistencia mecánica

Figura 8. Grafeno OLED (Diodo orgánico emisor de luz)

El grafeno permitirá eliminar de industria electrónica otros materiales más caros y muycontaminantes, como el óxido de titanio o el óxido de estaño indio que ahora se utilizan enla mayor parte de las aplicaciones electrónicas transparentes.

ELECTRÓNICA CON GRAFENO

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Es poco probable que con el grafeno se construyan circuitos lógicos integrados de altorendimiento como material de canal plano en los próximos diez años debido a la ausenciade un espacio de banda. Varias rutas posibles para hacer frente a estos problemas, se hanpropuesto y se están investigando (bicapa, nanocintas, funcionalización química). Además,algunos conceptos de otros dispositivos que se aprovechan de las notables propiedades degrafeno se han propuesto (por ejemplo, el campo bicapa pseudospin de efecto transistor ogeometrías verticales que utilizan túneles entre dos capas de grafeno.

Figura 9: Aplicaciones del grafeno en la electrónica.

Aplicaciones Enfoque Problemas que debenabordarse

Pantallastáctiles

Mejor resistencia con grafenocomparación con los materiales dereferencia

Falta mejorar la resistenciade control de contacto.Falta reducir la resistencia dela hoja (dopaje)

papelelectrónico

La alta transmitancia del grafenomonocapa, podría proporcionarvisibilidad

Falta mejorar la resistenciade control de contacto

OLED (diodoemisor de luz

orgánica)plegable

El grafeno con altas propiedadeseléctricas tiene una flexibilidad menora 5 mm.Mejora de la eficiencia debido a lacapacidad de ajuste de grafeno enfunción de trabajo.La superficie atómicamente plana degrafeno ayuda a evitar cortocircuitos yfugas de corriente

Falta mejorar la resistenciade la hoja de grapheno.Falta controlar la resistenciade contacto.Necesitan una cobertura deconformación de lasestructuras 3D

TransistoresRF

No hay solución para fabricar HEMT deInP (silenciosa) después de 2021 deacuerdo con el ITRS 2011.

Falta lograr la saturación dela corriente.fT=850 GHz, fmáx=1200GHzdebería ser alcanzado

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Tránsistoreslógicos Alta movibildad

Nuevas estructuras.Falta resolver el bandgap /movilidad de compensación.Necesita una proporciónOn/off mayor a 106.

Tabla 2. Enfoques y problemas que conducen a la aplicación de grafeno para aplicacioneselectrónicas diferentes.

A pesar de importantes recursos se han dedicado a estos enfoques, un dispositivo paracumplir con las características básicas de un transistor no se ha demostrado todavía. Sinembargo, pronto pueden esperar algunos productos que utilizan grafeno aunque el materialdisponible es menos que ideal en términos de calidad para aplicaciones menos exigentes.La figura 9 y la Tabla 2, muestran algunas posibles aplicaciones que podemos anticiparpara los dispositivos basados en el grafeno.

ELECTRÓNICA FLEXIBLE

Conductores de revestimiento transparente se utilizan como electrodos comunes, electrodosde píxel, así como el cableado en productos electrónicos tales como pantallas táctiles, e-papel y OLED (diodo emisor de luz orgánica). Básicamente, un electrodo conductortransparente requiere una resistencia laminar baja con alta transmitancia de más de 90%,dependiendo de la aplicación específica del dispositivo. El grafeno cumple los requisitoseléctricos y ópticos como su resistencia laminar puede alcanzar 30 Ω/sq (en muestrasdopadas) y una excelente transmitancia de 97,7% por capa en su estado ideal de 2D.También tiene una excelente flexibilidad mecánica y durabilidad química que son muyimportantes para los dispositivos electrónicos flexibles.

Los requisitos de propiedades eléctricas (es decir, resistencia hoja) para cada tipo deelectrodo difieren de una aplicación a otra. La primera solicitud de grafeno seráprobablemente como un electrodo para pantallas táctiles que requieren una resistencialaminar relativamente alta, lo que podría ser implementado hasta el 2014. Estos electrodostoleran una resistencia laminar en el intervalo de 50 a 300 Ω/sq para una transmitancia del90% (con una absorción de sustrato de 5 ~ 10%) y tienen que soportar repetidos toquesdurante la vida del producto. La ventaja de los electrodos de grafeno en paneles táctiles esque su resistencia es mucho mayor que cualquier otro candidato disponible en esemomento. Por otra parte, la rotura a la tensión del grafeno es diez veces mayor que la deITO (óxido de indio y estaño) significa de que también podría ser aplicado con éxito adispositivos flexibles y enrollables.

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E-paper enrollable es un producto electrónico de futuro. Se requiere un radio de curvaturade 10-5 mm que está dentro de la realización de un electrodo de grafeno. Además, el colorneutro del grafeno es beneficioso para el color e-paper. Sin embargo, la resistencia decontacto entre el electrodo de grafeno y la línea de metal de los circuitos de conducciónpresenta un problema en la actualidad. Un prototipo se puede esperar para el año 2015, peroprobablemente necesitará más tiempo para que un producto aparezca en el mercado comoel coste de fabricación necesita disminuir.

Otra aplicación para tener en cuenta es los dispositivos OLED flexibles (no-grafeno) paraser comercializados en 2013, lo que requiere una resistencia de hoja de menos de 30 Ω/sq.En estos dispositivos, la función de trabajo y rugosidad de la superficie del electrodo sedebe tener en cuenta, ya que son factores muy importantes que rigen la aplicación. Lacapacidad de ajuste función de trabajo de grafeno podría mejorar la eficiencia, y susuperficie atómicamente plana ayudaría a evitar cortocircuitos eléctricos y las corrientes defuga. Electrodos de grafeno ya se ha demostrado en una prueba con células de OLED. Noobstante, el control de la resistencia de contacto y la fiabilidad son todavía insuficientes sigrafeno está integrado en el circuito del dispositivo. En un dispositivo OLED real, loselectrodos de píxel de grafeno deben extenderse hacia abajo hasta la fuente de transistor odrenar haciendo un contacto con el orificio de paso, lo que exige que el grafeno se depositasobre una superficie plana, así como sus paredes laterales. Por lo tanto, la deposición deconformación de grafeno en 3D de estructuras y resistencia de contacto entre el grafeno y lafuente / drenaje son críticos.

TRANSISTORES RF

El grafeno se ha considerado y estudiado muy intensamente para aplicaciones de lostransistores RF. Sin embargo, este material tiene que competir con las tecnologías másavanzadas, tales como los semiconductores compuestos (III-V) y en este tiempo grafeno nose ha aprobado aún a pesar de los avances en los últimos años. Por lo tanto, el grafeno esprobable que se utilice después de 2021, cuando aún III-V material no satisfacen losrequisitos del dispositivo. (La proyección muestra que materiales III-V tendrán dificultadespara obtener una fT = 850GHz (cut-off frequency, frecuencia superior a la modulaciónactual), fmáx = 1.2THz (frecuencia de oscilación máxima - frecuencia superior de energíade modulación). Un informe reciente del progreso del grafeno presenta que fT habíaalcanzado 300 GHz, con la posibilidad de ampliarlo hasta 1THz a una longitud de canal deaproximadamente 100 nm. Por otro lado, fmáx sólo ha llegado a 30 GHz en las estructurastradicionales de grafeno, que está lejos de la actuación 330 GHz del transistor RF de. Por lotanto, el tema principal de investigación restante es el bajo valor de fmax para transistoresde grafeno que está por detrás de fT en un orden de magnitud para el dispositivoconvencional comparable. Hay dos formas de mejorar fmáx: RG descenso (resistencia de la

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puerta) y GSD (fuente de la fuga de la conductancia en pinch-off). El primer enfoque sepodría hacer mediante procesos bien establecidos semiconductores. Esto último requeriráuna corriente de saturación en el transistor de grafeno RF, que probablemente involucrará labúsqueda de una nueva compatibilidade con CMOS capa dieléctrica con propiedadessimilares como nitruro de boro. Un fmáx de 58GHz ha sido reportado usando grafeno sobreuna dilatada película de nitruro de boro hexagonal.

LÓGICA DE TRANSISTOR

Es ampliamente aceptado que la tecnología de Si se extenderá a niveles cercanos o inclusomenores a 10 nm. Desde el punto de vista tiempo-escala, el transistor de grafeno podríatener la oportunidad de reemplazar la tecnología de silicio después de 2020. En laactualidad, es demasiado pronto para sugerir una línea de investigación clara. Hasta 2019varias vías de investigación deben ser analizadas en relación con los dispositivos de lógicagrafeno. El actual enfoque de usar un canal con el grafeno uniones metálicas como fuente yel drenaje está limitado por la relación encendido / apagado. Mediante el uso de un grafenosemi-metálico, una relación encendido / apagado de hasta 103 todavía no se puede lograr,ya que los cambios en la conductividad son provocados por modulaciones de densidad deportadores. En contraste, la mayoría de aplicaciones de lógica requieren una relaciónencendido / apagado por encima de 106 para cualquier práctica de circuito VLSI.

Varias rutas de investigación se dirigen a la apertura de una banda prohibida en el grafenopara convertirlo en un semiconductor. Actualmente existen varios enfoques: nanocinta y eltransistor de solo un electrón, control bicapa, el grafeno perforado y el grafenoquímicamente modificado. Todos estos enfoques (aparte de la modificación química) hansido hasta ahora incapaces de abrir un hueco de banda más ancho que 360 meV -significativamente menor que 0,5-0.6eV que se requiere para un funcionamiento estable atemperatura ambiente. Aún peor - todos estos enfoques también conducir a la degradaciónde la movilidad del portador en el grafeno inferior que el Si. A menos que un método decreación de un gap en el grafeno sin sacrificar toda la ventaja de la movilidad puede serencontrado, es poco probable que el grafeno se introduzca en aplicaciones de lógica comoun reemplazo de Si en geometrías de transistor similares.

Como la estructura actual del grafeno no puede satisfacer la relación encendido / apagadorequisito para los dispositivos de lógica, nuevas estructuras se aprovechan de laspropiedades únicas de grafeno de trabajo de función de modulación, que se requiere a fin dealcanzar una proporción de 106 encendido / apagado. Algunos trabajos ya se han presentadocon un transistor intercalado para el transporte vertical, sin embargo, nuevasinvestigaciones sobre estructuras se necesitan para los transistores lógicos de grafeno

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Las conductividades eléctrica y térmica del grafeno podría empujar este material hacia eluso como interconexiones en los circuitos integrados. Se ha mostrado teóricamente quenanocintas grafeno tiene el potencial de superar a los cables de cobre por debajo de 10nmde espesor. Queda por ver si las nanocintas de grafeno real (con bordes desordenados)estará a la altura de lo esperado, pero, teniendo en cuenta que el grafeno puede serfácilmente cultivado en cobre por ECV, podríamos ver a los dos materiales utilizados enconjunto para las interconexiones y las aplicaciones de disipación térmica.

APLICACIONES EN BATERÍAS ULTRARRÁPIDAS

Baterías eficaces y rápidas de cargar: En la actualidad el mundo es digital pero muchoscomponentes siguen siendo similares a los de los aparatos analógicos, como por ejemplo laspilas. El polvo de grafeno aplicado a una batería no solo multiplicaría su eficacia (lograndouna carga rápida) sino que las haría ligeras y flexibles, enrollables y de considerablerendimiento.

Figura 10. Batería flexible

Existirán baterías de grafeno capaces de recargarse en unos 10 minutos (contra varias horasde las actuales), permitiendo el almacenamiento de energía durante periodos de tiempo máslargos a la vez que las hace más seguras ya que evitan un calentamiento excesivo, estoconstituye un avance decisivo para la industria del automóvil y para la informática ytelefonía móvil que verán aumentada su autonomía y funcionalidad sensiblemente.

El almacenamiento de energía es un elemento esencial de la producción energética y elahorro. La energía puede ser almacenada en una variedad de formas, dependiendo del usopretendido con cada método tiene sus ventajas y desventajas. Las baterías,supercondensadores y pilas de combustible se han utilizado y estudiado durante más de unsiglo para almacenar energía eléctrica. La necesidad de desarrollar fuentes de energíassostenibles y renovables está llevando a la sociedad a desarrollar la energía a partir defuentes que no están disponibles continuamente, como el sol y el viento. Además, existeuna importante necesidad de tener energía portátil no sólo para los dispositivos portátiles,sino también para el transporte para disminuir la dependencia de los combustibles fósiles.

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Las baterías y supercondensadores electroquímicos dispositivos de almacenamiento son losmedios más comunes de almacenamiento de energía y pilas de combustible también. Sinembargo, hay una serie de problemas que necesitan ser abordados con el fin de mejorar surendimiento y para que sean económicamente viables. Por lo tanto, los dispositivoselectroquímicos que pueden proporcionar alta densidad de energía son cada vez másimportante.

El gráfico llamado Ragone mostrado en la figura 11, de potencia frente a la densidad deenergía, es una manera útil de comparar diferentes tecnologías y juzgar utilidad para unaaplicación particular.

Figura 11: La potencia específica como una función de la energía específica, tambiénllamada trama Ragone para varios dispositivos eléctricos de almacenamiento de energía.

Los supercondensadores se basan en el almacenamiento de energía dentro decondensadores electroquímicos de doble capa (EDLC) y los dispositivos constan de doselectrodos, un separador y un electrolito, similar a una batería tradicional. El rendimientode estado de los EDLCs está en gran parte determinada por la combinación de un materialde gran área superficial de carbón activado y una separación de carga nanoscópico en lainterfase electrodo-electrolito.

El material de carbono debe ofrecer una alta conductividad eléctrica intrínseca, unaestructura de poro controlado, una buena resistencia a los procesos oxidativos, estabilidad aalta temperatura y debe ser fácilmente procesable en lechadas de electrodos. Después de suprimer aislamiento, el grafeno se convirtió en un material de elección obvia para estaaplicación. Hay una serie de informes sobre la fabricación de grafeno basados en electrodospara EDLC donde el objetivo principal era demostrar la capacidad de los materiales degrafeno para esta aplicación, así como el desarrollo de un material de bajo costo: de hecho,

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algunos de los más altos reportan capacitancias, y energía y densidades de potencia muyalta basados en el grafeno EDLCs.

En una manera similar el grafeno se puede utilizar para mejorar las capacidades dealmacenamiento de baterías de iones de Li. Por ejemplo, como un aditivo que puedemejorar el rendimiento del cátodo y el ánodo del sistema. En la actualidad, tradicionales demetal-óxido materiales utilizados en cátodos de baterías de iones de litio con frecuenciasufren de una mala conductividad eléctrica, que es superado por la adición de aditivos degrafito y carbono negro para la formulación del electrodo.

El grafeno con su hoja de morfología similar no sólo actuaría como un relleno conductoravanzado en este aspecto, puede dar lugar a nuevas core-shell o estructuras tipo sándwichde nanocompuestos lo que mejora el rendimiento y la estabilidad. Además, en el lado delánodo, nanoláminas de grafeno puede ser utilizado para intercalar reversiblemente Li en loscristales estratificados. De hecho Yoo et al. usó GNS en conjunción con los nanotubos decarbono y fulerenos, C60, para aumentar la capacidad de carga de la batería.

Muchos de los aspectos detallados de rendimiento del electrodo de grafito utilizado en labatería de iones de litio no son tan bien conocidas, en particular los factores que conducen alas limitaciones en el ciclo de vida y la formación de los llamados de electrolito sólidointerfaces.

El uso del grafeno como un sistema modelo puede conducir a nuevas perspectivas en lacomprensión del proceso de intercalación de litio. En un plano más tecnológico, unalimitación clave con baterías es su baja potencia específica (figura 9).

El uso de materiales basados en el grafeno, con una reducción asociada en longitudes dedifusión de los iones dentro de los sólidos, debe conducir a mejoras sustanciales en lacapacidad de velocidad de grafito a base de baterías.

También hay informes sobre el uso de GNS como un material de soporte para catalizadorde Pt para células de combustible. A diferencia, nuevamente el carbono, que es el materialde soporte de referencia para los catalizadores de Pt, el grafeno disminuye el tamaño departícula de Pt menores a 1 nm debido a la fuerte interacción entre los átomos de Pt ygrafeno. La fuerte interacción de Pt y grafeno y el pequeño tamaño de partícula conducen alaumento de la actividad catalítica para la reacción de metanol.

Si bien sigue siendo muy excelente trabajo sobre el grafeno para el almacenamiento deenergía, todavía hay una necesidad de comprender no sólo el papel fundamental de grafenopara EDLCs, baterías y combustible y mejorar el rendimiento de células, sino también paraabordar formas de introducir el grafeno en estos productos de fabricación a gran escala.Materiales de referencia comunes (carbón activado, grafito, carbono negro) sólo seráreemplazado si se grafeno demostrado ser superior tanto en términos de rendimiento y

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coste. Importantes esfuerzos se realizan para desarrollar nuevas formas de formación degrafeno de bajo costo para el almacenamiento de energía. En comparación con el uso degrafeno para aplicaciones nano-electrónico, el crecimiento y preparación de grafeno paraalmacenamiento de energía puede ser un blanco más fácil.

2.3 APLICACIONES EN AERONÁUTICA

Pentágono está desarrollando un proyecto de desarrollo de aditivos de combustible condiminutas hojas de grafeno, que podrían lograr que los aviones vuelen aún más rápido y quesus motores lleguen a contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de lasostenibilidad ambiental. Con este nuevo elemento serían capaces de optimizar elcombustible empleado en los aviones supersónicos, permitiendo que los mismos alcancenmayores velocidades y economicen recursos. Un avance que constituiría un punto deinflexión en el uso de los motores de combustión en la aviación.

Los aviones serán más ligeros, más eficientes, alas irrompibles, grandes ventanales, másinteractividad.

Las nanopartículas en estudio están compuestas por fragmentos de hojas moleculares decarbono (grafeno) de escasos Angstroms de espesor, (angstrom (Å) es una unidad demedida empleada para expresar longitudes de onda, distancias moleculares y atómicas,etc) y se ha demostrado que son capaces de colaborar en el encendido y quemado decombustibles a mayor velocidad, una característica que podría dar nacimiento a una nuevageneración de motores de combustión. El grafeno es un material con sorprendentescualidades, como por ejemplo ser un mejor conductor de electrones que el silicio ofuncionar como estructura en transistores de muy bajo consumo energético. Al mismotiempo, se trata del material más fuerte, duro y resistente que se ha creado hasta laactualidad.

Figura 12. a) Avión súper sónico, b) Hojas moleculares de grafeno

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Entre los principales objetivos de la investigación destacan la comprensión cabal delproceso de ignición de los combustibles con ayuda de nanopartículas, y la certeza sobre eltipo de partículas que funcionarían mejor para la construcción de los motores del futuro. Alentender más acabadamente el proceso, se incrementarán las posibilidades de obtener unamayor eficacia en el combustible y los motores.

Los aditivos de combustible confeccionados con partículas minúsculas de grafeno podríanlograr que los aviones supersónicos vuelen aún más rápido y que sus motores diésel lleguena contar con mejores condiciones de eficiencia y protección de la sustentabilidad ambiental.

De tan sólo un átomo de grosor, el grafeno garantiza una increíble versatilidad, que se veagudizada a través de la configuración en hojas extremadamente finas.

El resultado son hojas moleculares de carbono con inusuales propiedades físicas yeléctricas. Para facilitar estos desarrollos se requerirá del trabajo de un equipomultidisciplinario, dada la complejidad que supone el manejo de las nanopartículas. Deconseguirse los resultados esperados, la industria aeronáutica cambiaría en los próximosaños.

2.4 APLICACIONES EN PANELES SOLARES

Paneles y células solares: Los electrodos que componen actualmente las placas solares sonrígidos y se fabrican con óxido ITO (óxido de indio y estaño), un material escaso que se hamultiplicado por 10 su precio. La sustitución de estos componentes por grafeno permitiráabaratar la fabricación de los paneles y crear superficies flexibles y translúcidas queabsorban la luz.

El grafeno podría emplearse para baterías destinadas a ámbitos de uso energético. Se estimaque revolucionará el concepto de energía renovable y la elevará a unas cotas de eficiencianunca vistas. Esto revolucionará el concepto de energía renovable y la elevará a unas cotasde eficiencia nunca vistas. Como vemos, la promesa de una nueva era basada en el carbono(y no en el silicio) se acerca a marchas forzadas. En un plazo medio, nos podemos verinundados de dispositivos, mecanismos y tecnologías basadas en el grafeno, con unosrendimientos varios órdenes de magnitud por encima de lo que estamos acostumbradosahora.

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Figura 13. Paneles solares

El grafeno junto con nanoestructuras metálicas facilitará la fabricación de celulares solaresfotovoltaicas muy baratas, ligeras y flexibles en lugar de las de silicio puro, permitiráaumentar la generación de electricidad (puede captar veinte veces mayor cantidad de luz),por su transparencia, estas células solares podrían aplicarse directamente en las mismasventanas o aplicarlas en la pared, terrazas o en el tejado e incluso pueden colocarse encimade otros paneles solares, aumentando la cantidad de energía generada de una misma área.

2.5 OTRAS APLICACIONES ELÉCTRICAS

2.5.1 APLICACIONES EN FOTÓNICA

En el grafeno, los electrones se comportan como sin masa bidimensionales partículas queconduce a una significativa longitud de onda independiente de la absorción (= 2,3%) para laluz incidente normal por debajo de ~ 3 eV, a pesar de su espesor de capa un átomo.Además, mono y bicapa de grafeno se vuelve completamente transparente cuando laenergía óptica es menor que el doble del nivel de Fermi, debido al bloqueo de Pauli. Estapropiedad ofrece muchas sugerencias de dispositivos fotónicos controlables mostrados enFigura 14.

Figura 14: El grafeno aplicaciones en la fotónica

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Tabla 3. Enfoque y problemas en aplicaciones de la fotónica

FOTODETECTOR

Los fotodetectores de grafeno son actualmente uno de los dispositivos fotónicos másactivamente estudiados. En comparación con los fotodetectores semiconductores que hanlimitado la detección de ancho espectral; el grafeno, en principio, pueden ser aplicables aun amplio rango espectral de la radiación ultravioleta a través visible al infrarrojo. Además,la capacidad de absorción constante de grafeno puede ser especialmente útil en el diseño deun detector de múltiples longitudes de onda, por ejemplo, para sensores de imagen,permitiendo que la responsividad misma independientemente de la región espectral.

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Otra ventaja de la grafeno fotodetector es su ancho de banda de funcionamiento alta, lo quelo hace adecuado para comunicaciones de alta velocidad de datos. Los anchos de bandamáximos de InGaAs (para la comunicación óptica) y Ge (para la interconexión óptica) foto-detector se limitan a 150GHz y 80GHz, respectivamente, debido a los tiempos de tránsitodel portador. La movilidad de los portadores alto de grafeno permite una ultra-rápidaextracción de los foto-generados por los transportistas, posiblemente permitiendo elfuncionamiento de ancho de banda extremadamente alto. El ancho de banda limitado detiempo de tránsito de grafeno fotodetectores se calcula que es 1,5 THz a la velocidad desaturación del portador. En la práctica, el ancho de banda máximo de grafeno fotodetectorse limitaría a 640 GHz por la constante de tiempo resultante de la capacitancia de laresistencia (RC) de retardo, en lugar del tiempo de tránsito.

Debido a la ausencia de una banda prohibida, el grafeno fotodetector requiere un modelo deextracción diferente de la de los semiconductores de los fotodetectores. Actualmente,grafeno fotodetectores utilizar la variación potencial local cerca de las interfaces de grafenode metal a extraer los portadores foto generados. La respuesta del fotón de hasta 40GHz y10GHz se ha demostrado el funcionamiento del detector. Sin embargo, la capacidad derespuesta máxima es bajo (6,1 mA / W) debido a la absorción limitada debido a las áreas dedetección de pequeñas eficaces y la delgadez de grafeno. Con el fin de que losfotodetectores de grafeno sean competitivos con respecto a otras tecnologías, la capacidadde respuesta debe ser mucho mayor (~ 1A / W).

Hay varias vías posibles para mejorar la sensibilidad de los fotodetectores de grafeno, porejemplo mediante el uso de nanoestructuras plasmónica para la mejora de local de campoóptico eléctrico o integración con una guía de ondas para aumentar la longitud de lainteracción luz-grafeno. Esto último sugiere que el grafeno fotodetector puede ser másadecuado para el fotónico de Si basado en la interconexión de un detector independiente.Teniendo en cuenta el ancho de banda máximo del fotodetector de Ge y el plan deinterconexión óptica, sobre los 100GHz el ancho de banda del grafeno será competitivo en2020, a condición de que el grafeno de alta calidad CMOS compatible proceso se aseguracon una movilidad de más de 20.000cm2V-1s-1.

MODELADOR ÓPTICO

Moduladores ópticos son uno de los pilares fundamentales activos para interconexionesópticas para codificar la transmisión de datos mediante la alteración de las propiedades dela luz, como la fase, la amplitud y la polarización usando electro-refracción o electro-absorción. Moduladores de Si ópticos, tales como Mach-Zehnder interferómetros,resonadores de anillo y moduladores electro-absorción se basa en la interferencia, y laabsorción de resonancia de banda prohibida, respectivamente. Sus espectros defuncionamiento son generalmente estrechos, sin embargo, y su tiempo de conmutación

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lenta limita los anchos de banda de operación. Para moduladores de guía de ondas de Si,una gran resistencia en la unión p-n a través de las regiones centrales de Si es un problema,limitándose a anchos de banda generalmente menores de aproximadamente 50GHz.

Excelente mejoras en el modulador óptico podría ser esperado por la explotación de lacapacidad de grafeno para absorber una pequeña cantidad de luz incidente sobre rangos delongitudes de onda Ultrawide y su respuesta ultrarrápida. Para este fin, las transicionesinterbandas de electrones foto-generados en una capa sola de grafeno son moduladas enamplias gamas espectrales por una tensión de excitación, conduciendo a velocidades defuncionamiento de más de 1 GHz de ancho de banda cercano al rango del infrarrojo. Conalgunos cambios estructurales, un ancho de banda de operación aún más amplia de más de50GHz ha sugerido el uso de capas de grafeno dual inter-bloqueados para reducir laresistencia en el tiempo de retardo RC. Los avances en las técnicas de crecimiento yprocesamiento que reduzcan al mínimo la hoja y las resistencias de contacto podríanaumentar este valor para varios cientos de GHz. La tensión de funcionamiento se debereducir por debajo de 1 V a fin de reducir el consumo de energía. Debido al tratamientoantes mencionado y las limitaciones de integración de dispositivos.

Para las comunicaciones inalámbricas en la gama de THz (moduladores THz), se podríapreveer problemas similares, a pesar de que en comparación con otros metales noblesnaturales, las pérdidas ópticas para el grafeno es todavía un orden de magnitud máspequeño hasta el 30 THz. Las cuestiones clave para la aplicación de moduladores de THzson:

- (i) un diseño estructural para reducir el retardo de tiempo RC,- (ii) comparación de la movilidad entre los materiales,- (iii) la potencia de accionamiento de entrada.

GENERADOR EN MODO CERRADO LÁSER / THz

Los láseres ultrarrápidos pasivamente en el modo cerrado se han usado para diversasaplicaciones en espectroscopia, micromecanizado de material, la biomedicin y en lasaplicaciones de seguridad. A diferencia de la forma activa en modo cerrado los láseresutilizan dentro de modulares intra-cavidades, pasivamente los láseres en modo cerradoutilizan amortiguadores saturables para causar modulación de la intensidad de formaselectiva de la transmisión de luz de alta intensidad única. En comparación conampliamente usado absorbedor saturable semicondutor (SESAM), el grafeno absorbe unacantidad significativa de fotones por unidad de espesor y, por lo tanto, alcanza la saturacióna una intensidad más baja sobre un amplio rango espectral. El tiempo de relajación delportador ultrarápido, profundidad de modulación controlable, umbral de daño alto y altaconductividad térmica son otros beneficios de los absorbedores saturables del grafeno. Una

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amplia gama espectral de tunabilidad también se ha realizado en el modo cerrado delgrafeno con los láseres de fibra Dado que estas aplicaciones sólo necesitan una pequeñaárea de grafeno, la comercialización podría tener lugar aproximadamente en pocos años.

Aunque la mayoría de los estudios se centran en los láseres de fibra y de estado sólido, unabsorbente saturable de grafeno también puede encontrar aplicaciones en la tecnología deláser de semiconductor. Interconexión óptica con división de longitud de onda (WDM)necesita un esquema de matriz de láser con diferentes longitudes de onda. Otra manera deproporcionar muchas longitudes de onda diferentes es utilizar un único láser con múltiplesmodos longitudinales, tales como un láser de modo cerrado. Activamente en modo cerradoel híbrido láser de Si ha sido estudiado para este propósito, pero un absorbente saturable degrafeno podría permitir a un láser semiconductor pasivamente en modo cerrado con unafabricación y funcionamiento sencillo. Sin embargo, esperamos que esta aplicación sea útilsólo después de desarrollar una interconexión de alta integración óptica.

Los generadores de THz puede ser utilizado en diversas aplicaciones tales como (1) laimagen médica, (2) sensores químicos, y (3) los dispositivos de seguridad. Las propuestasiniciales basados en el grafeno electromagnético THz con el uso de generación de ondacomo un medio de ganancia para generar la emisión estimulada por bombeo óptico. Sinembargo, debido a los valores de movilidad similares de electrones y agujeros, el efectofoto-Dember puede no ser eficaz. Es difícil obtener un funcionamiento continuo de onda ysuperar los umbrales de emisiones estimuladas sin dañar el material. Estudios recientessobre la generación de ondas THz sugerir el uso de una excitación pulsada de una sola capade grafeno o utilizando grafito multicapa en un campo de femtosegundo pulso de láser paragenerar portadores que se aceleraron con el fin de generar la onda de THz. Sin embargo, laintensidad es 103~ 104 veces más débil que el generado a partir de los semicondutores III-As basados en una antena fotoconductora o dispositivos de túnel resonantes.

CONTROLADOR DE POLARIZACIÓN ÓPTICA

Controladores de polarización tales como polarizadores y rotadores de polarización soncruciales componentes pasivos para manipular las propiedades de polarización ortogonalesde fotones. Polarizadores convencionales se dividen en tres categorías, polarizadores porpolarizadores de hoja de absorción anisotrópicas prisma, por refracción y polarizadores deángulo Brewster por reflexión. Estos polarizadores no se integran fácilmente con unainterconexión óptica porque son generalmente voluminosos con proporciones bajas deextinción o anchos de banda limitados de operación. La atenuación diferencial en el modomagnético transversal debido a la excitación de fermiones de Dirac puede proporcionar unaexcelente relación de extinción de 27 dB que cubren bandas de comunicación muy amplios.Polarizadores ópticos compactos son demostrados en comunicación de datos integrandofibras ópticas en los datos fibras ópticas con grafeno como una in-line de capa conductora.

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Alta calidad de grafeno mm-tamaño tiene que integrarse con una fibra óptica o de siliciocomo dispositivos híbridos.

La rotación de Faraday es una forma popular de manipular con polarización de la luz.Convencionalmente, los materiales caros magneto-ópticamente activos tienen que serutilizados con el fin de alcanzar cualquier valor razonable de rotación. Por el contrario, lacuantización de Landau del gas de electrones de dos dimensiones en el grafeno comoresultado una rotación gigante con una respuesta rápida y una capacidad de ajuste de bandaancha. Una fuerte rotación se debe a la resonancia de ciclotrón clásicas o las de la mecánicacuántica inter-Landau transiciones de nivel. Rotaciones apropiadas de polarización sepuede lograr con multi-apilamiento estructuras de grafeno. Dos polarizadores combinadoscon estos rotadores de Faraday podrían convertirse en muy compacto híbrido aisladores.Sin embargo, un campo magnético más pequeño que los niveles de Tesla en el grafenoaisladores será un desafío serio que podría retrasar su debut.

DISPOSITIVOS FOTÓNICOS FUTURO

Otro posible tipo de fuerte interacción luz-materia en el grafeno son los polaritones deformación de plasmones superficiales (SPP). Estos fuertes acoplamientos tienen beneficiospara modulaciones de THz en el plano de onda y gran aumento de la densidad fotónica delos estados, que se puede utilizar para mejorar la tasa de emisión de fotones o tasa deabsorción de un dipolo cercano (mejora Purcell). Por grafeno patrón o por dopaje químicolocalizado, las ondas electromagnéticas incidentes obtienen funcionalidades adicionales,tales como las estructuras fotónicas de banda prohibida y meta materiales. El grafenobasados en cristales fotónicos son sugeridos como filtros de frecuencias y guías de onda delinfrarrojo, que están más allá de la capacidad de las actuales tecnologías basadas en elsilicio. Además, los estudios sobre guías de onda, lentes planas, súper lentes y otrosdispositivos usando la óptica de transformación son sugeridas. Sin embargo, el grafenopodría tener que competir con las tecnologías más avanzadas basadas en otros materialespequeños de banda prohibida como InSb y PbS. Dispositivos basados en plasmónica ometamaterial no están actualmente disponibles, por lo que es poco probable que el grafenose utilizan como filtros de frecuencia o guías de onda en el futuro.

Por último, se discute el material de prueba potencial de la investigación fundamental comola óptica cuántica y la plasmónica cuántica. La óptica cuántica tradicional generalmenterequiere atrapado y enfriado de átomos gaseosos o muestras de semiconductores enambientes de temperatura extremadamente bajas con el fin de obtener un tiempo decoherencia largo de la luz en los medios de comunicación. Desde que el grafenoproporciona una alta movilidad y poca dispersión de foto-generados, la fotónica o el modoplasmónico puede mantenerse relativamente mucho más que cualquier otro material inclusoa temperatura ambiente. Una manifestación reciente en la localización plasmónica en unsolo defecto de átomo muestra potencialmente prometedores nano dispositivos plasmónicos

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basados en el grafeno. Esto abre una nueva posibilidad de proporcionar material pertinentepara una fuente de fotones individuales o un ordenador plasmónica o cuántico en un futuromás lejano.

3. OTRAS APLICACIONES

3.1 EN MEDICINA

Biomedicina: El material podrá aplicarse en órganos con grafeno, sensores de DNA.

Por su altísima resistencia, flexibilidad y conductividad eléctrica, se está estudiando laaplicación de este material para la construcción de músculos e incluso huesos de grafeno.

Imagen médica basada en terahertzios (dichas frecuencias pueden atravesar la ropa, pero nola piel, a diferencia de otras como por ejemplo los de Rayos X). Además, podría ser parteactiva de un biosensor, para medidas rápidas de concentraciones de virus o marcadorestumorales. Su capacidad de fijar grupos químicos complementarios permite atrapar lassustancias que se quieren detectar.

El grafeno presenta un efecto antibacteriano que permitirá fabricar vendajes bactericidas.

Están probando la integración entre la electrónica y la biología en un sensor sobre el que sedepositan células vivas que se comunican mediante impulsos eléctricos y químicos, usandola capacidad del grafeno de detectar cualquier cambio de su conductividad producida poruna modificación química o eléctrica de las células situadas sobre una película de dichomaterial.

El grafeno tiene una serie de propiedades que lo hacen potencialmente prometedor parabioaplicaciones. El área de superficie grande, la pureza química y la posibilidad defuncionalización fácil proporcionar la oportunidad para la administración de fármacos;únicas propiedades mecánicas traer interés para aplicaciones de ingeniería de tejidos ymedicina regenerativa; combinación de delgadez último, la conductividad y resistencia loconvierten en un soporte ideal para la formación de imágenes en biomoléculas TEM, laspropiedades del sensor podría ser utilizado en el diagnóstico y las aplicaciones móviles demedicina. Sin embargo, mucha de la investigación está en una fase muy temprana dedesarrollo con muchos obstáculos a superar todavía.

Biosensores rápidos con buena sensibilidad y selectividad de biomarcadores relacionadoscon la enfermedad de manera significativa podría acelerar el diagnóstico y el tratamientoeficaz y reducir los costos generales de salud. Los biosensores basados en el grafenoutilizan una variedad de mecanismos para detectar una amplia gama de moléculasbiológicas, incluyendo la glucosa, el colesterol, la hemoglobina y el ADN. Las ventajas de

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estos sistemas a través de enfoques alternativos tendrán que ser demostrada en tanto entérminos de rendimiento y la disponibilidad de un proceso de coste de fabricación eficaz yrobusto.

El primer ensayo clínico controlado de forma inalámbrica un microchip implantadodispositivo basado en la administración de fármacos se informó recientemente. Laspropiedades del material y las aplicaciones electrónicas del grafeno podrían utilizarse paramejorar las futuras generaciones de dispositivos médicos tanto portátiles e implantables,incluidos los utilizados para el suministro controlado de fármacos tales como insulina. Eneste último caso, sería particularmente beneficioso si la retroalimentación de un biosensor,ya sea incorporado en el propio dispositivo o en otros lugares del cuerpo, podría serutilizado para controlar la velocidad de liberación del fármaco de manera que ladosificación óptima del fármaco se puede lograr para un tratamiento eficaz.

Como resultado de su gran superficie y deslocalizados π electrones, derivados de grafenopuede solubilizar y se unen moléculas de la droga y por lo tanto tienen el potencial de servehículos de administración de fármacos en su propio derecho si las cargas de fármacosuficientemente alta y adecuados en la distribución de fármacos y perfiles de liberación. Elgrafeno, al ser un material lipófilo puede ayudar en la resolución de otro reto en laadministración de fármacos - penetración de la membrana de barrera. Esto es especialmenteimportante para los tratamientos de cerebro y pulmón, ya que sólo un pequeño porcentajede los fármacos pueden penetrar en el 200 - 400 nm brecha de barrera sangre-cerebro. Lamayoría del trabajo limitado que se ha hecho hasta la fecha se ha centrado en lainvestigación de la carga y en el comportamiento in vitro para medicamentos aromáticoscontra el cáncer, tales como doxorrubicina. Es esencial que el comportamiento in vivo y eldestino de tales sistemas se determine para evaluar su potencial para el suministro defármacos y de orientación. La administración intravenosa de óxido de grafeno PEGilado,marcado con un colorante de fluorescencia de NIR, pero sin ningún fármaco, hademostrado una pasiva focalización de tumor en los modelos de xenoinjertos de ratón. Lostumores fueron asesinados cuando se irradia con un bajo consumo de energía cercano allaser infrarrojo lo que muestra el potencial del uso de derivados del grafeno para eltratamiento del cáncer fototérmico. Sin embargo, dada la alta seguridad, vallas clínicas yreglamentarias y los plazos largos asociados con el desarrollo de fármacos, que se venagravados cuando los nuevos materiales están involucrados, es poco probable que losproductos que utilizan grafeno basado en la tecnología de entrega de medicamentos esténcerca. También ha habido una investigación significativa en el uso de los nanotubos decarbono como vehículos de suministro de fármacos, incluyendo la investigación decomportamiento in vivo en animales, pero no parece que se han utilizado en los estudiosclínicos todavía.

La ingeniería de tejidos es un campo emergente de la tecnología con potencial para unimpacto significativo sobre el tratamiento del paciente en una serie de áreas de la

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enfermedad, aunque, hasta ahora, sólo un pequeño número de productos potenciales hanentrado en ensayos clínicos. El grafeno se puede incorporar en los materiales de andamiajeutilizadas para la ingeniería de tejidos para mejorar sus propiedades mecánicas tales comoresistencia y elasticidad y, potencialmente, para modular el rendimiento biológico, talescomo la adhesión celular, la proliferación y diferenciación.

El mayor obstáculo que hay que superar antes de grafeno puede cumplir su promesa en elárea biomédica es entender su biodistribución, la biocompatibilidad y toxicidad aguda ycrónica en condiciones que son relevantes para la exposición durante la fabricación yposterior uso. En última instancia, esto probablemente tendrá que ser hecho de la formaparticular de grafeno se utiliza en una aplicación dada como resultado es probable que varíecon la estructura de tamaño, morfología y química. Por lo tanto, también será importantepara caracterizar completamente la forma de utilizar el grafeno. En algunos casos, tambiénpuede ser posible explotar la actividad biológica que da lugar a un perfil de toxicidadparticular.

3.2 BLINDAJE

Se puede decir, sin duda, que el grafeno es el material más duro del mundo. Si se colocaun coche encima de una lámina de grafeno, no sería capaz de atravesarla. Su aparienciapuede parecer frágil y delicada ya que a simple vista el grafeno es como una telatransparente y flexible. Sin embargo, se trata de un material extremadamente resisten-te, esmás, el grafeno es el material más fuerte y resistente del mundo. Todas estas característicaslo hacen ideal para la construcción de elementos de protección del cuerpo humano frente aataques externos.

Dadas las mencionadas propiedades del grafeno en cuanto a resistencia, dureza yflexibilidad una de las aplicaciones está encaminada a la fabricación de corazas humanas enel ámbito de la seguridad, por ejemplo un chaleco antibalas (figura 15), de una flexibilidadsólo comparable a su extrema resistencia, y tan fino como el papel, con la posibilidadadicional de disponer de conexiones a internet que permitan comunicar el estado generaldel portador.

Figura 15. Chaleco antibalas

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Además por su enorme resistencia mecánica, junto con su flexibilidad y ligereza permitirádesarrollar cascos de grafeno para el ejército o para motoristas que además podrán contarcon servicios de localización Gps, visualización o comunicación, todos ellos integrados enél.

3.3 PANTALLAS TÁCTILES FLEXIBLES Y ENROLLABLES

Revolución digital: La flexibilidad y conductividad del grafeno permiten crear una láminainteractiva que se puede transformar según las necesidades en un teléfono móvil inteligente,una tableta táctil, un GPS, una pantalla de ordenador. Actualmente todos estos soportestienen una carcasa rígida, elemento que desaparecerá con el grafeno

Se investiga para desarrollar pantallas de grafeno, flexibles, enrollables, táctiles ytransparentes (figura 16), y pronto veremos Ipads, Notebooks y portátiles enrollables oplegables.

Una de las aplicaciones más prometedoras es la obtención de nanocomposites poliméricosderivados de grafeno. En este sentido, GPA está estudiando la introducción de diferentestipos de grafeno en polímeros para ver cómo influyen en las propiedades mecánicas de loscompuestos. La introducción de grafeno permite modificar el modulo de tensión y flexión,así como la resistencia del material.

Estudios demuestran la alta conductividad térmica del grafeno, la resistencia mecánicacomparable a los nanotubos de carbono, las buenas propiedades de transporte, y suconsiderable efecto termoeléctrico. Con el fin de explotar estas propiedades, el grafeno seviene incorporando a matrices poliméricas, aunque es esencial disponer de una determinadaorganización morfológica, control estricto de la interfase, dispersión adecuada y fácilprocesabilidad para alcanzar las mejores prestaciones del nanocompuesto. Estos requisitosse pueden conseguir gracias a la versatilidad de las propiedades superficiales del grafeno yque a su vez se pueden modificar según los fines específicos. Por ejemplo, usandotensioactivos y polielectrolitos para mejorar la exfoliación y la dispersión del grafeno en losdistintos medios a través de interacciones físicas o electrostáticas. Mediante el uso demoléculas orgánicas como isocianato de fenilo y porfirina unidas a la superficie de grafenose mejoran las dispersiones en polímeros no polares como el poliestireno (PS). En general,la dispersión de grafeno se mejora mediante su modificación estructura. Sin embargo, enocasiones para conseguir dispersiones estables de grafeno y optimizar la microestructura delos nanocompuestos es necesaria, como ya veremos, la funcionalización de grafeno conpolímeros.

La compañía Vorbeck Materials está fabricando tintas conductoras basadas en el grafeno ycontactos eléctricos para el desarrollo de pantallas flexibles. Otra de las características del

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grafeno que más ha llamado la atención es que, pese a su extrema dureza y densidad, sea unmaterial de una flexibilidad extraordinaria. Esto se debe a que es un cristal de la finura delgrosor de un átomo con un peso apenas perceptible. Si a su ductilidad y ligereza se une suelevada conductividad electrónica, el grafeno se convierte en un gran candidato para laspantallas de los dispositivos del futuro. Sus características de flexibilidad le permitiríanplegarse y extenderse a gusto del usuario para mostrar tanto una gran pantalla en altadefinición como una pulsera con información, en sus múltiples variantes.

Nanotecnología: Campo de ciencias aplicadas al control y manipulación de la materia anivel molecular o atómico.Se emplean medidas en nanómetros: 1 nanómetro = Millonésimaparte de 1 milímetro

Figura 16. Pantallas táctiles flexibles y enrollables

3.4 LOS MÓVILES

Este material hará cambiar radicalmente el aspecto de los terminales móviles. Gracias a suspropiedades de trasparencia y flexibilidad se van a crear móviles de otra generación, sincolor definido, sin forma definida, totalmente adaptable y flexible (figura 17). Pareceque las nuevas tendencias apuntan hacia una tecnología adaptada perfectamente a lafisonomía del ser humano. Nokia está trabajando ya en ello creando otro concepto de móvilcompletamente diferente.

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Figura 17. Móviles adaptables y flexibles

3.5 DETECTORES, SENSORES Y METROLOGÍA

Si una molécula de un gas entra en contacto con el grafeno, éste sufre un cambio en laresistencia eléctrica. Un grafeno perfecto, gracias a su gran conductividad, es muy sensibleal cambio y puede detectar moléculas individuales de gas.

Ya se están diseñando detectores de infrarrojos basados en Grafeno para la fabricación decámaras de visión nocturna con mayor resolución que las actuales.

El grafeno, al ser un tejido de dos dimensiones y una superficie sin granel, tienepropiedades que son extremadamente sensibles al medio ambiente: de cambio de laconstante dieléctrica local y presencia de impurezas unidas covalentemente en susuperficie, a la tensión y la iluminación. Por lo tanto, es natural considerar el uso de grafenopara aplicaciones de sensores.

Los medidores de deformación es probablemente la aplicación más competitiva yprometedora. El grafeno es sólo el cristal que puede ser estirado en un 20%, aumentandoasí el intervalo de trabajo de tales sensores de manera significativa. Además, las distintasconfiguraciones de deformación darían lugar a diferentes respuestas.

La lectura puede ser eléctricouo óptico. La combinación de medidores de deformación conmateriales compuestos hará que éstos aún más atractivo: el esfuerzo puede ser monitorizadadirectamente y mapeado por medio de espectroscopia de Raman. Existiendo Grafeno CDV-crecido o grafeno obtenido por exfoliación fase líquida son ya adecuadas para medidores detensión (si problemas térmicos se derivan se puedo resolver) y por lo que uno puede esperarque tales aplicaciones a aparecer en los próximos años.

Actualmente los sensores de gases de grafeno, a pesar de ser extremadamente sensible, sóloocupan una ventaja competitiva con respecto a los dispositivos existentes. A pesar de sercapaz de detectar una sola molécula de algunos gases, la selectividad de grafeno prístino estodavía pobre. Siendo sensible al agua, estos sensores pueden ser fácilmente tóxico en elmedio ambiente. Sin embargo, puesto que estos detectores se pueden producir de manera

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barata (utilizando exfoliación fase líquida de grafito, por ejemplo) pueden ser utilizados enaplicaciones de algunos sectores.

La selectividad de grafeno se puede aumentar mediante la funcionalización. Sin embargo,es un método bastante caro, es probable que sea más adecuado para bio-detección. Tantoelectrónico o de lectura óptico, el último incluye fotoluminiscencia Raman, o la extinciónde la luminiscencia.

Sensibilidad extrema del grafeno para el medio ambiente sugiere una serie de aplicacionesde sensores. Ultrapequeño (<100 nm) sensores de grafeno Hall podría ser utilizado para lasmediciones del campo magnético; secuenciación de ADN es una posibilidad conmembranas de grafeno y el potencial de flujo de grafeno puede ser utilizado para medir lavelocidad del líquido circundante.

La principal ventaja de los sensores de grafeno es su multifuncionalidad. Así, un solodispositivo puede ser utilizado en mediciones multidimensionales, por, ejemplo, ladeformación y el gas del ambiente, la presión y el campo magnético. En este sentido, elgrafeno ofrece oportunidades únicas. Con el desarrollo de dispositivos electrónicos deconsumo cada vez más interactivos, tales sensores van a encontrar su camino en muchosproductos.

La única banda estructural del grafeno, con su división de energía anormalmente grandeentre el cero-energía y el primer nivel de Landau lo convierte en un material ideal paradesarrollar el estándar resistencia universal basado en el efecto Hall cuántico (QHE), unode los efectos más fundamentales de la física del estado sólido. El QHE relaciona laresistencia Hall cuantizada a fuertes campos magnéticos a fracciones de números enteros deh/e2, y por este medio ofrece la posibilidad de redefinir las unidades de SI por kilogramo yamperios en términos de las constantes fundamentales de la Naturaleza, h, la constante dePlanck y, e, la carga del electrón. Durante dos décadas, la metrología se ha utilizado conéxito el QHE, observado en los gases de electrones bidimensionales (2DEG) formados en elinterior de silicio en transistores de efecto de campo o grupo III-V heteroestructuras paraaplicar la escala de resistencia. Resulta que el grafeno epitaxial crecido en la cara de silicioSiC es el mejor material para la metrología de resistencia cuántica. El recientementealcanzado una parte por 10 mil millones precisión de cuantificación de la resistencia Hallestá determinada por el factor inusual de 2 fijado en el grafeno, debido al predominio de lacapacidad cuántica de grafeno en carburo de silicio - transferencia de carga de grafeno(Figura 18).

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Figura 18. Efecto Hall cuántico. Pasos del comportamiento cuántico.

El grafeno tiene el potencial de proporcionar el elusivo la mayoría de los estándareseléctricos - la norma cuántica para la corriente eléctrica. La idea es producir una fuentecuantificada actual basada en cuantificada actual, I = ef en el giro de un solo electrónimpulsado con la frecuencia f.

El transporte de electrones individual en estos dispositivos es causada por un predominio decargas de efecto de Coulomb en una pequeña isla - un punto cuántico. Aquí el grafeno es unmaterial prometedor, ya que proporciona a altas temperaturas de trabajo bloqueando elefecto de Coulomb. En comparación con los sistemas moleculares donde las energíasigualmente son grandes se han observado, el grafeno ofrece la posibilidad de integración agran escala y paralelización.

3.6 TELECOMUNICACIONES

Otro importantísimo campo donde el grafeno va a conseguir nuevos y grandes avances es elde las telecomunicaciones, las empresas más importantes del sector lo utilizarán en lapróxima generación de dispositivos que serán decenas o cientos de veces más rápidos quelos actuales de cable, consiguiendo así conexiones de Internet ultra rápidas, debido a laenorme movilidad y velocidad de los electrones en este material

3.7 INDUSTRIA NAVAL Y AUTOMOTRIZ

Lunas irrompibles, estructuras más fuertes, energía limpia, elementos interactivos, másligeros, más eficientes. Barcos, trenes, motos, bicicletas, todos serán más resistentes congrafeno.

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Barcos muchísimo más ligeros, irrompibles, más eficientes, veleros interactivosultrarresistentes.

3.8 HOGAR

Cristales irrompibles, ultraligeros, cargadores de energía y fotosensibles; mueblesultrarresistentes y multimedia, paredes pantalla, refuerzos de estructuras, utensiliosirrompibles, cocinas interactivas, suelos irrompibles e interactivos que nos guiarán anuestro destino. Recintos públicos, deportivos, oficiales, con cubiertas transparentes y a lavez cargadores de energía, autosuficientes y pantallas de iluminación y displays.

3.9 RETARDADOR DE LLAMA / RESISTENTE AL FUEGO

De forma similar a las propiedades de conductividad eléctrica, los polímeros cargados conEG podrán experimentar mejora de sus propiedades térmicas, ya que el grafito presenta altaconducción térmica. Después de la exfoliación de GO se requiere poca cantidad de cargapara conseguir alta conductividad térmica, aumentando ésta con el contenido de nanocarga.

El umbral de percolación depende de cada sistema, de forma que a mayor longitud de lasláminas de grafeno en el polímero, el porcentaje de percolación disminuye. La razón estribaen que la relación de aspecto aumenta con la longitud de las mismas. A mayor relación deaspecto existe una mejor capacidad de generar una red conductora con menos material. Conla adición del 4% en peso de partículas grafíticas largas se consiguen conductividadestérmicas de 0,87 W/mK lo que representa un aumento próximo al 300% respecto alpolímero inicial (0,22 W/mK). Se han comparado resultados de conductividad térmica depolímeros cargados con EG con los valores obtenidos para fibras de carbono o fibras confuerte tratamiento térmico, resultando para los primeros valores de conductividad de 4,3W/mK que significa una mejora del 1030% o un 53% mayor que las fibras tratadastérmicamente.

El coeficiente de expansión térmica (CTE) de los polímeros con EG depende de laconcentración y del tamaño de las nanopartículas. El EG tiene un valor de CTE inferior aldel polímero puro, siendo el resultado de la mezcla un compromiso entre ambos materiales.Las láminas de mayor longitud proporcionan los valores más bajos de CTE para cada nivelde carga.

4. CONCLUSIONESo El grafeno es el material más delgado posible.o Posee propiedades exóticas como:

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Transparencia Flexibilidad Conducción de la electricidad

o Es altamente resistente (200 veces más que el acero).o Puede reaccionar químicamente con otras sustancias para formar compuestos

con diferentes propiedades, lo que dota a este material de gran potencial dedesarrollo.

o Soporta radiaciones ionizantes.o Menor efecto Joule, se calienta menos al conducir los electrones.

- La investigación en este material apenas ha empezado y detrás de él hay muchosmisterios

5. BIBLIOGRAFÍA- GONZÁLEZ, José, HERNÁNDEZ, María.“Electrónica del grafeno”. En Rev.

Investigación y Ciencia, septiembre de 2010.- CASTRO, Guinea, NOVOSELOV, Konstantin. “The electronic properties of

graphene” en Reviews of Modern Physics, vol. 81, enero de 2009.

6. VÍNCULOS EN LA WEB- http://es.wikipedia.org/wiki/Grafeno

- http://www.imaginenano.com/GENERAL/index.php GRAPHENE 2013 BilbaoApril 23-26