exposición grafeno

PRUEBA DE HIPÓTESIS

MODELADO Y SIMULACIÓN II

Presentado por:

Daniel Felipe Almeida Argüello Cód UIS: 2158733

CONTENIDO

• Definición de Prueba de Hipótesis

• Historia del Grafeno

• Síntesis del Grafeno

• Caracterización del Grafeno

• Propiedades del Grafeno

HIPÓTESIS

Hipótesis Estadística: Presunción del valor de uno o más parámetros de un modelo estadístico.

Prueba de Hipótesis: Proceso de establecer la validez de la hipótesis.

INTRODUCCIÓN

Alotropías descubiertas a partir de 1980Fullerenos

Nanotubos de carbono

Grafeno

INTRODUCCIÓN

Propiedad Magnitud

Alta movilidad electrónica 250.000 []

Conductividad térmica 5000 []

Módulo de Young 1 [Tpa]

INTRODUCCIÓN

Aplicaciones del Grafeno

• Dispositivos de efecto de campo

• Sensores• Electrodos transparentes• Fotodetectores• Celdas solares• Dispositivos de

almacenamiento de energía• Compuestos poliméricos• Nanocompuestos

http://informationdisplay.org/portals/informationdisplay/issues/2010/03/art6/GIFS/Fig_4.jpg

HISTORIA DEL GRAFENO

El uso del grafito data de hace 6000 años, empleado especialmente en decoración.

En 1960: Se descubrió la alta conductividad de los planos basales de los compuestos de grafito intercalado


Nombre RestricciónCrecimiento de nanotubos de carbono Producción de grafito con 100 capas

de carbono

Deposición Química de Vapor (CVD) sobre superficies metálicas

Producción de pocas capas de grafeno

Descomposición térmica del SiC Producción de pocas capas de grafeno


Hasta el año 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov obtuvieron grafeno de alta calidad con un tamaño de cientos de micrones.

SINTESIS DEL GRAFENO

Exfoliación y desdoblamiento

Deposición Química del Vapor (CVD)

Derivados químicos del Grafeno

EXFOLIACIÓN Y DESDOBLAMIENTO

Exfoliación mecánica

Obtención de láminas finas compuestas de monocapas o pocas capas de grafeno, mediante la exfoliación del HOPG (Highly Oriented Pirolytic Graphite) con cinta adhesiva


Mezcla del surfactante (sodium cholate) con Grafifo

Exfoliación por medio de

ultrasonidos

Obtención de grafeno a través de DGU (density

gradient ultracentrifugation)

Green and Hersam.Solution phase production of graphene with controlled thickness via density differentiation

DEPOSICIÓN QUÍMICA DEL VAPOR (CVD)

Deposición Química del Vapor (CVD)

Sustratos (SiO2/Si):• Ni (Segregación)• Cu (Adsorción superficial)

Descomposición térmica del SiC


Ni + SiO2

Gas hidrocarbónico diluido

Capas de Grafeno (3 a 8 capas)

Proceso de enfriamientoConcentración del Gas Hidrocarbónico


Cu + SiO2

Metano descompuesto catalíticamente (CxHy)

Monocapas de Grafeno (1 a 2 capas)

Temperatura - Presión del metanoFlujo del metano - Presión parcial del hidrógeno


Mejoramiento de grafeno obtenido por Cu(Aplicaciones electrónicas)

• 97.4% Transmitancia óptica

• Resistencia de 125


SiC

Tiempo de calentamiento (1200ºc)Temperatura

Capas de Grafeno

Ultra-alto vacío

Descomposición térmica del SiC

DERIVADOS QUÍMICOS DEL GRAFENO

Grafito

Óxido de Grafito (GO)

Óxido de Grafeno

DERIVADOS QUÍMICOS DEL GRAFENO

Obtención del óxido de Grafito (GO)

• Ácido sulfúrico, ácido nítrico y permanganto de potasio.

Reducción del GO• Exfoliación a través de ultrasonicación• Reducción química (hidracina)• Sometimiento al calor (1050ºc)

Caracterización del Grafeno:Visualización óptica de capas de Grafeno

• Se emplean varias técnicas como: microscopio óptico (OM), microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (TEM). Usualmente se combinan.

• OM era la mas usada, pero requería capas de Grafeno montadas sobre sustrato de SiO2 para la buena visualización con contraste. Así como también depende de la longitud de onda de la luz incidente y el espesor

• El contraste se explica en términos de interferencia de Fabry-Perot en la capa superficial dieléctrica que regula la intensidad de fluorescencia que permite contraste entre capas de Grafeno y sustrato.

Caracterización del Grafeno:Imágenes ópticas de capas de Grafeno

La visibilidad de las hojas puede ser definida por la relación de contraste de Michelson (C), Con Rmaterial como la intensidad reflejada del material y

Rdielectrico es la intensidad sin material

Si C=0 el material no es detectable, si C=[0,1] el material es más brillante que el sustrato, y si C=[-1,0] la muestra es más oscura que el sustrato.

SiO2 y Si3N4 son los materiales más comúnmente usados superpuestos en el silicio para mejorar el contraste de capas de Grafeno.

Caracterización del Grafeno:Imágenes ópticas de capas de Grafeno

Imagen óptica de las diferentes capas de Grafeno micro mecánicamente exfoliada en sustrato de Si con 300 nm de SiO2 superpuesto. El número de capas se identificó por contraste de color y AFM.

Caracterización del Grafeno:Técnica de desactivación fluorescente

(FQM)

• Proceso que produce una disminución en la intensidad de la fluorescencia emitida por una determinada sustancia.

• Las hojas de capa de carbono atómicos individuales se pueden visualizar con un microscopio de fluorescencia común mediante la aplicación de un revestimiento de polímero dopado colorante, esto elimina la necesidad de sustratos especiales e incluso permite la observación directa de las hojas de Grafeno en solución.


(FQM)

• Se emplean técnicas tales como reacciones en estado excitado, transferencia de energía, formación de complejos y quenching por colisiones moleculares.

• FQM trabaja con una amplia gama de materiales fluorescentes y polímeros, esto hace FQM compatible con los procesos de micro fabricación.

• De bajo costo y poco tiempo necesario.

Caracterización del Grafeno:Microscopía de fuerza atómica (AFM)

• Instrumento mecano-óptico capaz de detectar fuerzas del orden de los nano newtons. Al rastrear una muestra, es capaz de registrar continuamente su topografía mediante una sonda o punta afilada de forma piramidal o cónica.

• Sólo da contraste topográfico, que no puede distinguir entre el O2 de Grafeno y sus capas en el funcionamiento normal. Sin embargo, las imágenes de fase de AFM en modo tapping facilitan distinguir entre un Grafeno original libre de defectos y su versión funcionalizada.


• Puede determinar con éxito el grosor de la capa en la escala nanométrica, pero engorroso para grandes áreas de Grafeno.

• AFM ha sido explorado para la caracterización mecánica de Grafeno, ya que puede resolver las pequeñas fuerzas que intervienen en el proceso de deformación. Los diferentes modos AFM permiten el estudio de las propiedades mecánicas de fricción, eléctricas, magnéticas e incluso elásticas de los copos de Grafeno.


Altura (a y c) y la fase correspondiente (b y d) de las imágenes en modo AFM tapping de nanoláminas O2 de Grafeno no reducido (a y b) y reducido químicamente (c y d) depositados a partir de dispersiones acuosas en HOPG recién dividido. Las imágenes fueron grabadas en el régimen de la interacción atractiva muestra de la punta. Superpuesta a cada imagen es un perfil de la línea tomada a lo largo de la línea marcada en rojo.


Diagrama de un microscopio de fuerza atomica

Caracterización del Grafeno:Microscopía de transmisión de e- (TEM)

• Especial para imágenes de nano materiales a una resolución de escala atómica, en la que un haz de electrones transmitido pasa a través de una muestra ultra delgada y la imagen se obtiene de los electrones que atraviesan la muestra y llegan a los lentes de imagen y detector.

• El Grafeno y RGO son un átomo de capa gruesa, por ende la TEM es la única herramienta que puede resolver las características atómicas del Grafeno.

• El TEM está limitado por su resolución a baja tensión operacional ya que a alta tensión, la monocapa sufre daños.

Caracterización del Grafeno:Microscopía de transmisión de e- (TEM)

• Las imperfección y peculiaridades topológicas en el Grafeno afecta sus propiedades, estas pueden determinarse usando tales anomalías corregidas con TEM de baja tensión.

(A) Imagen directa de una sola membrana capa de Grafeno. (B y C) Paso de una monocapa (parte superior) a una bicapa (parte inferior de la imagen) que muestra el aspecto único de la monocapa. (C) Muestra la misma imagen con una superposición de la red de Grafeno (rojo) y la segunda capa (azul), desplazada en el apilamiento Bernal de grafito.

Caracterización del Grafeno:Espectroscopia de Raman

• Es una técnica espectroscópica usada para estudiar modos de baja frecuencia como los vibratorios, rotatorios, y otros.

• Se basa en dispersión inelástica (Raman) de la luz monocromática, (láser en el rango de luz visible, el infrarrojo cercano o ultravioleta cercano). La luz láser interactúa con fonones u otras excitaciones en el sistema, provocando que la energía de los fotones del láser experimenten un desplazamiento hacia arriba o hacia abajo. Ese desplazamiento da información sobre los modos vibracionales en el sistema.


• Debido al cambio en las bandas de electrones, permite la caracterización de las capas de Grafeno en términos de número de capas presentes y su efecto de la cepa, espesor, la concentración de dopaje, tensión en las capas, el efecto de la temperatura y la presencia de defectos.

• Su desventaja está en separar la débil inelásticamente dispersada luz de la intensa luz láser dispersada de Rayleigh.


(d y e) la comparación de la banda D en 514 nm en el borde de grafito a granel y Grafeno de una sola capa. Se muestra el ajuste de los componentes D1 y D2 de la banda D de grafito a granel. (E) Los cuatro componentes de la banda en 2D 2 Grafeno capa a 514 y 633 nm.

(a) Comparación de los espectros de Raman a 514 nm para el Grafito y Grafeno de una sola capa. (b y c) Evolución en la banda de 2D como una función de las capas a 514 y 633 nm excitaciones.

Propiedades del Grafeno:

• Fascinantes propiedades fueron descubiertas a través de la investigación de Grafeno virgen incluyendo:

Extremadamente alta carga (e- y huecos) Alta movilidad de e- a temperatura ambiente (250.000 cm2 / Vs)

(también conocido como el transporte balístico), con la absorción del 2,3% de la luz visible

Conductividad térmica (3000 W / mK ) debido a banda gap cero. La ausencia de localización La más alta resistencia (130 GPa) La área de superficie especifica teórica mas alta (2.600 m2 / g) Un medio entero cuántico de efecto Hall, incluso a temperatura

ambiente (mínima conductividad de Hall ~4e2 / h, incluso a la concentración de portadores nula)

Propiedades del Grafeno:Propiedades de transporte eléctrico• Naturaleza altamente inusual de portadores de carga, tiene

carácter distintivo que imitan a las partículas relativistas (Fermiones de Dirac), considerados como los e- que han perdido su masa en reposo, mejor descrito por las ecuación de Dirac.

• La estructura de bandas de Grafeno de una sola capa exhibe dos bandas que se cortan en dos en punto equivalente. Cerca de estos puntos, la dispersión electrónica se parece a la de los e- relativistas de Dirac, donde se degeneran las bandas de valencia y de conducción, haciendo al Grafeno un conductor/semiconductor de banda gap cero.

Propiedades del Grafeno:Propiedades de transporte eléctrico

Diagramas esquemáticos de la estructura reticular de Grafeno (A) monocapa y (B) bicapa. Los diagramas representan las relaciones de dispersión de energía calculados en el régimen de baja energía y muestran que el Grafeno son semiconductores de gap cero. (C) Cuando se aplica un E perpendicular a la bicapa, una banda prohibida se abre en el Grafeno bicapa, cuyo tamaño (2∆) es sintonizable por E.

Propiedades del Grafeno:Propiedades de transporte eléctrico• La alta conductividad electrónica en una sola capa se debe a

muy alta calidad, es decir, baja densidad de defectos. El Grafeno virgen está libre de defectos.

• Efecto de campo eléctrico ambipolar a temperatura ambiente, es decir los portadores de carga se pueden ajustar entre e- y/o huecos por la aplicación de un Vg requerida.

• Sufre en su banda prohibida de cero energía incluso a un punto de carga neutral. Esto no permite su uso en aplicaciones de lógica, que requieren frecuentes de conmutación de encendido/apagado.

Propiedades del Grafeno:Propiedades de transporte eléctrico• Sin embargo, la estructura de banda puede ser modificado

por confinamiento cuántico lateral prensando el Grafeno en nanocintas, en puntos cuánticos de Grafeno y polarizando Grafeno bicapa. Dopaje y el funcionalización de borde también cambian la banda prohibida en nanocintas.

• Las hojas de Grafeno procesadas en grandes cantidades también son deseables para aplicaciones como compuestos reforzados con Grafeno, películas conductoras eléctricas transparentes, almacenamiento de energía, etc

Propiedades del Grafeno:Efecto Hall Cuántico entero (IQHE)

• Efecto observado en sistemas bidimensionales con e- sometidos a bajas temperaturas y fuertes B, en la que la conductividad toma los valores cuantizados.

• La cuantización de la conductancia de Hall tiene la importante propiedad de ser increíblemente precisa. Proporciona también una determinación independiente y extremadamente precisa de la constante de estructura fina, una cantidad de importancia fundamental en electrodinámica cuántica.


• La conductividad Hall por Grafeno de capa sencilla muestra una meseta cuando se representa como una función de la concentración de portadores, n, en un B fijo. Este IQHE, en monocapa de Grafeno, es distintivamente diferente para la QHE convencional. Esta cuantificación anormal se atribuyó a la estructura electrónica topológicamente excepcional de Grafeno.


• En el bicapa, la carga de portadores tienen espectro de energía parabólica asimétrico con masa finita. La cuantificación Landau de estos fermiones de Dirac resultados en mesetas en la conductividad de Hall. La primera meseta se produce a j = 1, sin embargo, la meseta en cero rxy está ausente a diferencia de la QHE convencional. Por otra parte, la conductividad Hall sufre una etapa doble de tamaño a través de esta región.

Propiedades del Grafeno:Propiedades ópticas

• A pesar de ser el material más delgado jamás fabricado es visible a simple vista.

• Debido a sus propiedades electrónicas únicas absorbe sólo el 2,3% de la luz que pasa a través de él, suficiente para que se pueda ver en el aire.

• Para ayudar a mejorar la visibilidad, se depositan en obleas de silicio que tienen una fina capa de dióxido de silicio en su superficie. La luz en esta estructura tricapa será parcialmente transmitida y reflejada en cada interfaz.

Propiedades del Grafeno:Propiedades ópticas

• En función del espesor de la capa de dióxido de silicio, algunos colores son mejorados y algunos son suprimidos.

• En combinación con las propiedades eléctricas, han alimentado mucho interés en nuevos dispositivos fotónicos. También se ha sugerido que el intervalo de banda cero, gran área monocapa y pocos FET capa de Grafeno se pueden utilizar como fotodetectores ultrarrápidos

Propiedades del Grafeno:Propiedades térmicas

• El Grafeno es un conductor térmico perfecto. Su conductividad térmicase midió recientemente a temperatura ambiente y es mucho más alto que el valor observado en todas las otras estructuras de carbono como los nanotubos de carbono, el grafito y el diamante.

• La conductividad térmica del grafeno es isotrópica (igual en todas las direcciones). Al igual que en todas las otras propiedades físicas de este material, su estructura bimensional le hace particularmente especial. El grafito (3D) muestra una conductividad térmica unas 5veces menor. El fenómeno está gobernado por la presencia de ondas elásticas que se propagan en la red de Grafeno llamados fonones.

Propiedades del Grafeno:Propiedades térmicas

• El estudio de la conductividad térmica en el Grafeno puede tener importantes implicaciones en los dispositivos electrónicos con base de Grafeno. Al ir disminuyendo los dispositivos aumenta la densidad de los circuitos, por lo que la alta conductividad térmica sería esencial para disipar el calor de manera eficiente y así mantener fresca la electrónica. Tendrá un papel cada vez más importante en la fiabilidad del dispositivo.

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