nanotecnologia y grafeno

Sistemas

Digitales

Investigacin de

Nanotecnologia y

Grafeno.

Profesor: Leyra Galn Emeterio Gonzalo.

Alumnos: Acevedo Zepeda Nstor Gabriel

Secuencia: 1NV21

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE

INGENIERIA Y CIENCIAS SOCIALES Y ADMINISTRATIVAS

Expondremos varias formas de utilizar los haces electrnicos para obtener

imgenes mediante diferentes tipos de microscopios electrnicos.

En un microscopio electrnico de transmisin (TEM), los electrones de una fuente,

como la de un can de electrones, entran en la muestra, se dispersan al pasar a travs de

ella y se enfocan con un lente de objetivo, se amplican mediante un lente amplicador

(proyector) y nalmente producen la imagen deseada. En la gura 3.10 se puede leer en

el mismo orden de izquierda a derecha (direccin CTEM). La longitud de onda de los

electrones en el haz incidente viene dada por una forma modicada de la ecuacin (3.6).

0,0388 [3.7]

= -------- nm V

donde la energa adquirida por los electrones es E = eV y V es el voltaje de aceleracin,

expresado en kilovoltios. Si hay tomos pesados muy separados, entonces domina la dis-

persin, con ngulos de dispersin promedios , dados por la expresin ~ /d, donde d

es el dimetro atmico promedio. Para un voltaje de aceleracin de 100 kV y para un di-

metro atmico promedio de 0,15 nm, obtenemos ~ 0,026 radianes o 1,5. Las imgenes

se forman porque los diferentes tomos interactan y absorben electrones en diferente

extensin. La situacin en la que tomos individuales de los elementos pesados se sepa-

ran ms que varios parmetros de red se puede resolver mediante la tcnica TEM.

Figura 3.10. Diagrama del rayo en un microscopio electrnico de transmisin conven-

cional (paso superior) y en un microscopio electrnico de transmisin de barrido (paso

inferior). Se indica la difraccin electrnica del rea seleccionada (SAED), la apertura

(Ap) y la muestra (Mues); as como los lentes de objetivo (Obj) y el proyector (proy) o

condensador (cond). (Adaptado de P. R. BUSECK, J. M. COWLEY y L. EYRING, High-Reso-

lution Transmisin Electrn Microscopy, p. 6. Oxford Univ. Press, Nueva York, 1988.)

3.3 Microscopia

Los electrones interactan con ms fuerza con la materia que los rayos X o los neu-

trones que posean energas o longitudes de onda comparables. Para una dispersin nor-

mal de electrones de unos 100 keV, la distancia promedio atravesada por los electrones se

llama paso libre promedio, que vara desde varias docenas de nanmetros para elementos

ligeros hasta decenas, o quizs centenas, de nanmetros para elementos pesados. Los

mejores resultados por microscopia electrnica se han obtenido con pelculas de grosores

comparables al paso libre promedio. Pelculas mucho ms nas exhiben una dispersin

demasiado pequea para poder ofrecer imgenes tiles, mientras que en las pelculas

gruesas domina el fenmeno de dispersin mltiple, que provoca una imagen borrosa y

difcil de interpretar. Las muestras gruesas se pueden estudiar por la deteccin de los

electrones dispersados hacia atrs.

Un microscopio electrnico de transmisin puede formar imgenes mediante el uso

de la difraccin electrnica del rea seleccionada (SAED), abertura localizada entre los

lentes del objetivo y el proyector, como se muestra en la gura 3.10. La parte principal

del haz electrnico transmitido por la muestra consiste en electrones que no han sufrido

dipersin alguna. El haz tambin contiene electrones que han perdido energa mediante

dispersin inelstica, sin desviacin de su paso, as como electrones que han sido reeja-

dos por varios planos cristalogrcos hkl. Para poder producir lo que se llama una ima-

gen de campo brillante, la abertura se inserta de tal forma que slo permita que pase el

haz de electrones transmitidos sin desviacin, como se muestra en la gura 3.11. El

Haz electrnico

Detector secundario

de electrones

Muestra

primario

Detector de electrones

dispersados hacia atrs

Detector de rayos X

Pantalla

fluorescente Pelcula fotogrfica

Detector de

electrones transmitidos de campo brillante (BF) y de campo oscuro (DF)

Detector de

electrones de energa perdida

Figura 3.11. Posiciones de los detectores de seales en una columna de microscopio

electrnico. (D. B. WILLIAMS, Practical Analytical Electron Microscopy en Materials

Science, Phillips Electronic Instruments, Mahwah NJ, 1984.)

3.3 Microscopia

La gura 3.13a muestra la imagen original, mientras que la gura 3.13b ofrece la trans-

formada de Fourier, que tiene la apariencia de un patrn de difraccin. Las guras 3.13c

y 3.13e ilustran los pasos sucesivos en el procesamiento de las imgenes, y la gura

3.13f corresponde a la imagen de un sustrato de SiO2, obtenida por la sustraccin de la

imagen de la partcula. Finalmente, la gura 3.13g presenta la reconstruccin de la nano-

partcula de los datos procesados.

(a)

(c)

(e)

(b)

(d)

(f)

(g)

Figura 3.13. Procesamiento de imgenes de microscopio electrnico de transmisin

para una partcula de Ni sobre un sustrato de SiO2, que muestra: la imagen original de

campo brillante (a), la imagen del tipo de patrn de difraccin por transformada de Fourier

rpida (b), la imagen procesada con el ltro de apertura mostrado en la gura insertada (c),

la imagen con un procesamiento ulterior con el ltro de apertura mostrado en la gura

insertada (d), la imagen procesada nal (e), la imagen del sustrato SiO2 obtenida por sus-

traccin de la imagen de la partcula (f) y el modelo de nanopartcula construido desde los

datos procesados (g). (BENAISSA y DAZ, citado por M. JOS YACAMN y J. A. ASCENCIO,

en Nalwa, vol. 2, captulo 8, p. 405, 2000.)

3.3 Microscopia

Figura 3.14. Micrografa de campo inico de una punta de volframio (T. J. Godfrey),

interpretada por la proyeccin estereogrca de la gura 3.15. (G. D. W. SMITH, captulo

en Whan, p. 585, 1986.)

Figura 3.15. Proyeccin estereogrca de un cristal cbico correspondiente a la micrografa

de campo inico del volframio de la gura 3.14. (G. D. W. SMITH, en Whan, p. 583, 1986.)

Mtodos de medicin de propiedades

sistemtico. Tambin se puede obtener informacin sobre supercies mediante una sonda

de barrido en la que la trayectoria del haz de electrones atraviesa las regiones de particular

inters en la supercie. El barrido tambin se puede realizar con una sonda que monitoriza

los electrones que atraviesan los tneles entre la supercie y la punta de la sonda, o

mediante una sonda que monitoriza la fuerza ejercida entre la supercie y la punta (tip) de

la sonda. En su momento describiremos los sistemas de instrumentacin que realizan

estas tres funciones respectivas: el microscopio electrnico de barrido (SEM), el micros-

copio de efecto tnel (STM) y el microscopio de fuerza atmica (AFM).

Ya se mencion arriba que la ptica electrnica, representada en la gura 3.10 para

un microscopio electrnico de transmisin convencional, es similar a la de un microsco-

pio electrnico de barrido, excepto que en el primer caso, TEM, los electrones viajan de

izquierda a derecha, mientras que en el segundo caso, SEM, se mueven en direccin con-

traria, de derecha a izquierda. Como ya se ha dicho bastante sobre el funcionamiento de

un microscopio electrnico, ahora slo describimos el sistema de deexin de electrones

en un microscopio electrnico de barrido, representado en la gura 3.16. La deexin se

realiza magnticamente mediante los campos magnticos generados por la corriente

elctrica que pasa por las bobinas, como ocurre en muchos equipos de televisin. El

campo magntico producido por una bobina es proporcional al voltaje V que se le apli-

qu. Vemos de la gura insertada en la parte superior izquierda de la gura 3.16 que el

voltaje zigzagueante se aplica a los pares de bobinas I1, I1 e I2, I2. El campo magntico

producido por las bobinas ejerce una fuerza que deecta el haz de electrones de izquierda

a derecha sobre la direccin de la lnea dibujada al fondo sobre la muestra.

Los campos magnticos variantes en los pares de bobinas f1, f1 y f2, f2 producen las

menores deexiones del punto 1 a 1 a 1, como se muestra en el detalle A. Por tanto, el haz de electrones barre repetidamente de izquierda a derecha, atravesando la muestra en

un patrn de rastreo que eventualmente cubre toda el rea del marco r r en la muestra. La gura 3.17 muestra las partculas de oro de 3 nm sobre un sustrato de carbono resuel-

tas por un SEM.

Un microscopio de efecto tnel utiliza un alambre con una punta muy na, que se

encuentra cargada positivamente y que acta como una sonda cuando se baja a una dis-

tancia de 1 nm, aproximadamente, de la supercie objeto de estudio. Los electrones en

tomos superciales individuales son atrados por la carga positiva del alambre de la

sonda y saltan (efecto tnel) hacia el mismo, y as crean una corriente elctrica dbil. La

sonda puede barrer la supercie hacia adelante y hacia atrs, como un patrn de rastreo

en un modo de altura constante o en un modo de corriente constante, de acuerdo con la

representacin de la gura 3.18. En el modo de corriente constante, un lazo de retroali-

mentacin mantiene una altura constante sobre el perl de la supercie de la muestra, y

se registran las variaciones en las subidas y bajadas de la sonda. Este modo de operacin

asume una barrera de tnel constante a travs de la supercie. En el modo de altura cons-

tante, la distancia de la punta vara constantemente respecto a la supercie, y ello se

reeja en variaciones en la corriente de efecto tnel registrada a medida que la sonda rea-

liza el barrido. El lazo de retroalimentacin establece la altura inicial de la sonda, pero

despus se apaga durante el barrido. La sonda de barrido ofrece un mapeo de la distribu-

cin de los tomos sobre la supercie.


Figura 3.17. Micrografa tomada con un microscopio electrnico de barrido de partcu-

las de oro de 3 nm de dimetro (30 ) sobre un sustrato de carbono. (J. D. VERHOEVEN, en

Whan, p. 497, 1986.)

STM en modo de altura constante (retroalimentacin desconectada)

Corriente de efecto tnel

Eje de barrido

Punta de la sonda Paso de la punta

Muestra

STM en modo de corriente constante (retroalimentacin conectada)

Corriente de

efecto tnel

Eje de barrido

Paso de la punta

Punta de la sonda

Muestra

Figura 3.18. Modos de registro de imagen en modo de altura constante (arriba) y de corriente

constante (abajo) de un microscopio de efecto tnel. (T. BAYBURT, J. CARLSON, B. GODFREY,

M. SHANK-RETZLAFF y S. G. SLIGAR, vol. 5, captulo 12, p. 641, Nalwa, 2000.)


Figura 3.22. Imagen AFM de un ordenamiento de nanoestructura formado cuando se

efectu la deposicin de Cr con un lser enfocado en dos ondas estacionarias orientadas a

90 entre s. (R. GUPTA, J. J. MCCLELLAND, Z. J. JABBOUR y R. L. CELOTTA, Appl. Phys.

Lett. 67, 1378, 1995.)

En la espectroscopia infrarroja, un fotn IR h es absorbido directamente para inducir

una transicin entre dos niveles vibracionales En y En, donde

En= n +12

-hv0

[3.8]

El nmero cuntico vibracional n = 0, 1, 2, es un entero positivo, y 0 es la frecuencia caracterstica de un modo normal en particular. De acuerdo con la regla de selec-

cin n = 1, las transiciones infrarrojas se observan solamente entre niveles de energa

vibracional adyacentes y, por tanto, tienen una frecuencia 0. En la espectroscopia Raman se induce una transicin vibracional cuando un fotn ptico incidente, con una

frecuencia 0, es absorbido y se emite otro fotn ptico hemit:

En = |hinc hemit| [3.9]

De la ecuacin (3.8) la diferencia en frecuencias viene dada por |inc emit| = |n'

n''|0= 0, dado que se cumple la misma regla de seleccin n = 1. Se observan dos

casos: 1) inc> emit correspondiente a la lnea de Stoke, y 2) inc< emit para la lnea anti-Stoke. En el infrarrojo, los modos vibracionales activos surgen de un cambio en el

momento dipolo de la molcula; mientras que, en Raman, los modos vibracionales

5.3 Cmulos de carbono

espacio entre las estrellas y las galaxias. Cuando la luz de una estrella lejana atraviesa el

cosmos y llega a la Tierra se reduce la intensidad de la radiacin, lo que se denomina

extincin ptica. Ello se debe a la absorcin y la dispersin de la luz por el polvo interes-

telar que se encuentra en el camino de la luz hacia la Tierra. Los cientcos estudian esta

extincin midiendo la intensidad de la luz que llega de las estrellas a diferentes longitudes

de onda, esto es, a diferentes colores. Cuando se realizaron esos estudios se observ que

haba una pronunciada extincin o absorcin en la regin del ultravioleta a una longitud

de onda de 220 nm (5,6 eV), que se atribuy a la luz dispersada por pequeas partculas de

grato que se pensaba que estaban presentes en las regiones entre las estrellas. La gura

5.5 muestra un grco de esta extincin ante la energa fotnica. Esta explicacin para la

extincin en la regin de los 220 nm fue ampliamente aceptada por los astrnomos.

Donald Huffman, de la Universidad de Arizona, y Wolfgang Kratschmer, del Instituto

Max Planck de Fsica Nuclear en Heidelberg, no quedaron convencidos con esta explica-

cin y decidieron estudiar ms el problema. Su enfoque consisti en simular el polvo de

grato en el laboratorio y en estudiar la transmisin de luz a travs del mismo. Obtuvie-

ron partculas tipo humo al hacer un arco (elctrico) entre dos electrodos de grato en un

ambiente de helio gaseoso, y entonces condensaron el humo sobre placas de vidrio de

cuarzo. Usaron varios mtodos espectroscpicos para estudiar el grato condensado,

como el infrarrojo y el Raman, que pueden medir las frecuencias vibracionales de las

molculas. Indudablemente obtuvieron las lneas espectrales conocidas para el grato,

Energa fotnica (electronvoltios)

Figura 5.5. Espectro ptico de la luz proveniente de estrellas del espacio exterior. El

pico a 5,6 eV se debe a la absorcin del C60 presente en el polvo interestelar. (F. J. OWENS y C. P. POOLE, JR., New Superconductors, Plenum Press, 1998.)

Ex

tinci

n (

un

idad

es a

rbit

rari

as)

Nanoestructuras del carbono

pero tambin observaron otras cuatro bandas IR de absorcin adicionales que no son ori-

ginadas por el grato, lo que les sorprendi bastante.

Aunque la molcula con forma de baln de ftbol, formada por 60 tomos de carbono

con una frmula qumica C60, haba sido anunciada por qumicos tericos durante varios

aos, no se haba encontrado prueba alguna de su existencia. Sin embargo, los tericos

ya haban pronosticado de forma detallada muchas de sus propiedades, incluida una

exposicin de lo que sera el espectro IR de absorcin de la molcula. Para asombro de

Huffman y Kratschmer las cuatro bandas observadas para el grato condensado

correspondieron, muy aproximadamente a lo predicho para una molcula de C60. Para una ulterior vericacin, los cientcos estudiaron el espectro de absorcin, mediante

arcos de carbono con un 1% de abundancia del istopo13

C, y lo compararon con el

espectro original obtenido del uso del istopo12

C habitual. Es bien conocido que este

cambio en istopos debera provocar un desplazamiento en el espectro IR dado por la

raz cuadrada de las relaciones de las masas, que en este caso

131/2

---

12 = 1041 [5.2]

corresponde a un desplazamiento del 4,1%. Esto es exactamente lo que se observ

cuando se realiz el experimento. Ahora, los dos cientcos tenan pruebas de que exista

una interesante molcula nueva formada por 60 tomos de carbono, enlazados en forma

de esfera. Para vericar esta conclusin tambin se usaron otros mtodos experimentales,

como la espectrometra de masa, cuyos resultados se publicaron en Nature en 1990.

Otros grupos de investigacin se aproximaban a la existencia de la molcula de C60

por mtodos diferentes, aunque irnicamente el asunto del estudio csmico tambin

impulsaba sus investigaciones. Harold Kroto, un qumico de la Universidad de Sussex en

Inglaterra, formaba parte de un equipo que encontr pruebas de la presencia en el espacio

exterior de molculas de cadenas carbonadas largas, como las mostradas en la gura 5.4.

Se interes por cmo podran ser estas cadenas y especul que tales molculas podran

haber sido creadas en la atmsfera exterior por un tipo de estrella llamada gigante rojo.

Contact con el Profesor Richard Smalley, de la Universidad Rice en Houston, quien

haba elaborado el aparato representado en la gura 4.2 para construir pequeos cmulos

de tomos mediante un lser de pulso de alta potencia. En ese experimento, un disco de

grato se calienta con un rayo lser de alta intensidad para producir vapor caliente de car-

bono. Entonces, un chorro de helio gaseoso barre el vapor hacia fuera a travs de una

abertura donde el haz se expande. La expansin enfra los tomos que se condensan en

forma de cmulos. Una vez enfriado, el haz de cmulos se estrecha mediante una rendija

y es alimentado en un espectrmetro de masa, un dispositivo diseado para medir las

masas de las molculas en los cmulos. Cuando se realiz el experimento con un disco de

grato, el espectrmetro de masa extrajo resultados inesperados. Se observ una masa de

720 que contendra 60 tomos de carbono, de masa 12 cada uno. Evidentemente, era una

molcula C60! Aunque los datos de este experimento no aportaron informacin sobre la estructura del cmulo de carbono, los cientcos sugirieron que la molcula deba de ser

esfrica y construyeron un modelo de cpula geodsica para la misma.


5.3.3 Estructura del C60 y su cristal

La molcula C60 recibi el nombre de fullereno, nombre proporcionado por el arquitecto

e inventor R. Buckminster Fuller, quien dise la cpula geodsica que asemeja la

estructura del C60. Originalmente la molcula se nombr buckminsterfullerene, pero

resultaba un nombre demasiado largo, as que se acort a fullereno. Una representacin

de la molcula se muestra en la gura 5.6. Posee 12 caras pentagonales (de 5 lados) y 20

hexagonales (de 6 lados) simtricamente distribuidos para formar un baln molecular. Es

ms, un baln de ftbol tiene la misma conguracin geomtrica que el fullereno. Estas

molculas con forma de baln se asocian entre s en un slido para formar una red crista-

lina con una estructura cbica centrada en las caras, mostrada en la gura 5.7. En la red,

cada molcula de C60 est separada de su vecina ms cercana por 1 nm (la distancia entre

sus centros es de 1 nm) y se mantienen unidas por dbiles fuerzas de van der Waals, ana-

lizadas ya en el captulo anterior. Como el C60 es soluble en benceno se pueden obtener

cristales sencillos por simple evaporacin lenta de disoluciones de benceno.

Figura 5.6. Estructura de la molcula de fullereno C60.

5.3.4 C60 dopado con lcali

En la estructura cbica centrada en las caras del fullereno, el 26% del volumen de la

celda unidad est vaco, por lo que tomos alcalinos pueden caber fcilmente en los espa-

cios vacos entre los balones moleculares del material. Cuando cristales de C60 y potasio


metlico se colocan juntos en tubos evacuados y son calentados a 400 C, los vapores de

potasio difunden dentro de estos espacios vacos para formar el compuesto K3C60. El

cristal de C60 es un aislante pero, cuando est dopado con un tomo alcalino, se convierte

en conductor de la electricidad. La gura 5.7 muestra la localizacin de los tomos alca-

linos en el retculo donde ocupan los dos sitios tetradricos vacantes y un sitio octadrico

mayor por molcula de C60. En el sitio tetradrico, el tomo alcalino tiene cuatro balones

C60 circundantes, mientras que en el sitio octadrico hay seis molculas C60 circundan-

tes. Cuando el C60 se dopa con potasio se forma el K3C60; los tomos de potasio se ioni-

zan para formar K+, y los electrones se asocian con el C60 para formar un ion triplemente

3 negativo C60 . Por tanto, cada C60 tiene tres electrones adicionales que estn

dbilmente asociados y que se pueden mover por el retculo, lo que convierte al C60 en

conductor de electricidad. En este caso se dice que el C60est dopado de electrones.

Sitio

octadrico

Sitio

tetradrico

Figura 5.7. Celda unidad de la red cristalina de molculas de C60 (esferas grandes)

dopadas tomos de lcali (crculos negros). (F. J. OWENS y C. P. POOLE, The New Super-

conductors, Plenum, 1998.)

5.3.5 Superconductividad en el C60

La supercondutividad es un estado de la materia en el que la resistencia de una muestra se

hace cero y, entonces, no puede penetrar un campo magntico. Esto ltimo se maniesta

como una reduccin en la susceptibilidad magntica de la muestra hasta = 1 (en el

sistema mtrico). En 1991, cuando A. F. Hebard y sus colaboradores en los laboratorios de

la Bell Telephone doparon cristales de C60 con potasio mediante el mtodo descrito arriba y probaron su superconductividad, para sorpresa de todos, se encontr la prueba de una

transicin a la superconductividad a 18 K. La gura 5.8 muestra la cada en la magnetiza-

cin, indicativa de la presencia de superconductividad. Se encontr una nueva clase de

material superconductor con una estructura cbica simple que contena solamente dos ele-

mentos. Poco despus de ese informe inicial se supo que muchos tomos alcalinos


0,025

0,025

0,075

0,125

0,175

0,225

18

18,5

19

19,5

20

Temperatura (K)

Figura 5.8. Magnetizacin del K3C60frente a la temperatura, que muestra la transicin al

estado superconductor. (Adaptado de A. F. HEBARD, Phys. Today, 29, noviembre de 1992.)

podran dopar el retculo y que la temperatura de transicin aumentaba hasta 33 K en el

Cs2RbC60. A medida que aumenta el radio del tomo alcalino dopante se expande ms el

retculo cbico del C60, y sube la temperatura de transicin a la superconductividad. La

gura 5.9 presenta un grco de la temperatura de transicin frente al parmetro de red.

14,1

14,2

14,3

14,4

14,5

Parmetro de red (A)

Figura 5.9. Grco de la temperatura de transicin de A3C60 frente al parmetro de red,

donde A es un tomo alcalino (10 = 1 nm). (Adaptado de A. F. HEBARD, Phys. Today,

29, noviembre de 1992.)

Mag

net

izac

in n

orm

aliz

ada

T

em

per

atu

ra d

e tr

ansi

cin

(K

)


Tal y como se mencion arriba, el grato est formado por lminas planas y paralelas

de tomos de carbono. Es posible colocar otros tomos entre los planos de estas lminas,

un procedimiento llamado intercalacin. Cuando se intercalan tomos de potasio, el gra-

to cristalino se vuelve superconductor a la extremadamente baja temperatura de unas

pocas dcimas de kelvin.

5.3.6 Fullerenos mayores y menores

Se han encontrado fullerenos mayores, tales como el C70, el C76, el C80 y el C84. Una

molcula de carbono dodecadrica C20 fue sintetizada por disociacin de C20HBr13en

fase gaseosa. Tambin se obtuvo el C36H4 mediante ablacin de grato por lser de

pulso. Se identic una fase slida de C22 en la que el retculo contiene molculas de C20 enlazadas entre s por un tomo de carbono intermediario. Un aspecto interesante sobre

la existencia de esos fullerenos menores es que se supone que quiz sean superconducto-

res a altas temperaturas si estn dopados apropiadamente.

5.3.7 Otros bulkyballs Qu posibilidad existe de obtener bulkyballs de otros materiales, como el silicio o el

nitrgeno? En Japn, algunos investigadores lograron hacer estructuras tipo jaula a partir

del silicio. Sin embargo, a diferencia de los tomos de carbono, el silicio puro no puede

formar estructuras cerradas. Los investigadores demostraron que el silicio s puede for-

mar una estructura cerrada alrededor de un tomo de volframio en forma de una jaula

hexagonal. Las aplicaciones potenciales de tales estructuras estn en componentes de

ordenadores cunticos, de catalizadores qumicos y de nuevos materiales superconducto-

res. Un buen nmero de clculos por orbitales moleculares predice estructuras cerradas

estables para otros tomos. Por ejemplo, se ha usado el mtodo de los funcionales de la

densidad para demostrar que un cmulo N20 sera estable con la estructura dodecadrica

mostrada en la gura 5.10. Los clculos tambin revelan que el cmulo sera un poderoso

explosivo, unas 3 veces ms potente que el material ms enrgico de los existentes en la

actualidad. Sin embargo, sera muy difcil sintetizar el N20.

5.4 NANOTUBOS DE CARBONO

Quizs las nanoestructuras ms interesantes y con mayor potencial de aplicacin sean los

nanotubos de carbono. Se podra pensar en un nanotubo de carbono como en una lmina

de grato enrollada para formar un tubo, con enlaces al nal de la lmina para sellar los

extremos. La gura 5.11 muestra la estructura de un tubo formado cuando se enrolla una

lmina de grato sobre un eje paralelo a los enlaces CC. Un nanotubo de pared simple

(SWNT) puede tener un dimetro de 2 nm y una longitud de 100 m, lo que efectiva- mente es una estructura unidimensional llamada nanoalambre.

5.4 Nanotubos de carbono

Figura 5.10. Ilustracin de la estructura predicha para la molcula N20, calculada por la teora de los funcionales de la densidad. (F. J. OWENS, no publicado.)

5.4.1 Fabricacin Se pueden obtener nanotubos de carbono por evaporacin lser, por los mtodos de arco

de carbono y por deposicin qumica de vapor. La gura 5.12 ilustra el aparato para

hacer nanotubos de carbono por evaporacin lser. Un tubo de cuarzo con argn gaseoso

y un blanco de grato se calientan a 1200 C. Dentro del tubo, pero algo fuera del horno,

se encuentra un colector de cobre enfriado con agua. El blanco de grato contiene peque-

as cantidades de cobalto y nquel que actan como sitios de nucleacin cataltica para la

formacin de los tubos. Un rayo intenso de lser por pulso incide sobre el blanco, el car-

bono se evapora del grato. El argn barre los tomos de carbono de la zona de alta tem-

peratura hacia el colector de cobre ms fro, sobre el que se condensan para formar los

nanotubos. Por este mtodo se pueden obtener tubos de 10-20 nm de dimetro y 100 m

de largo.

Se pueden sintetizar nanotubos mediante arcos de carbono. Se aplica un potencial de

20-25 V a los electrodos de carbono de 5-20 m de dimetro y separados entre s por

1 mm, y a una presin de 500 torr de ujo de helio. Los tomos de carbono salen despe-

didos del electrodo positivo y forman nanotubos en el electrodo negativo. A medida que

se forman los tubos disminuye la longitud del electrodo positivo y se forma un depsito

de carbono en el electrodo negativo. Para producir nanotubos de pared simple como cata-


Figura 5.11. Representacin de algunas posibles estructuras de nanotubos de carbono,

segn cmo se enrollen las lminas de grato: estructura de brazo de silla (a), estructura

zigzag (b) y estructura quiral (c).

lizador se incorpora una pequea cantidad de cobalto, nquel o hierro en la regin central

del electrodo positivo. Si no se usa el catalizador, los tubos resultan anidados, del tipo

pared mltiple (MWNT), donde los nanotubos se encuentran unos dentro de otros, como

se ilustra en la gura 5.13. El mtodo de arco de carbono puede producir nanotubos de

pared simple con dimetros de 1-5 nm y con una longitud de 1 m.

El mtodo de deposicin qumica de vapor implica la descomposicin de un gas,

como el metano (CH4), a 1100 C. A medida que se descompone el gas, los tomos de

carbono formados se van condensando sobre un sustrato ms fro que puede contener

varios catalizadores, como el hierro. Este mtodo produce tubos abiertos por los extre-

mos, cosa que no ocurre cuando se usan los otros mtodos. Este mtodo permite la fabri-

cacin continua y sera el ms favorable para el escalado y la produccin.

El mecanismo de crecimiento de los nanotubos no est claro. Dado que se requiere

el catalizador metlico para el crecimiento de los SWNT, el mecanismo implicara a

los tomos de Co o Ni. Una propuesta, referida como mecanismo patineta, sugiere

que los tomos del catalizador metlico se asocian a los enlaces colgantes en el extremo

5.4 Nanotubos de carbono

Lser

Argn gaseoso

Horno

Blanco de grafito

Colector de cobre

enfriado con agua

Tubo de cuarzo

Figura 5.12. Ordenamiento experimental para sintetizar nanotubos de carbono por eva-

poracin lser.

Nanotubos de carbono de pared mltiple

Figura 5.13. Ilustracin de un nanotubo anidado, en el que un tubo est dentro de otro.

abierto del tubo, donde estos tomos patinan alrededor del borde y absorben tomos de

carbono a medida que llegan.

Generalmente, cuando se sintetizan los nanotubos se obtiene una mezcla de diferen-

tes tipos, algunos metlicos y otros semiconductores. Un grupo de IBM desarroll un


mtodo para separar los nanotubos semiconductores de los metlicos. La separacin se

realiz por la deposicin de un bulto de nanotubos, algunos de los cuales eran metlicos

y otros eran semiconductores, sobre una oblea de silicio. Entonces se depositaron elec-

trodos metlicos sobre el bulto. Con una oblea de silicio como electrodo se aplic un

pequeo voltaje que previniera la conduccin de los tubos semiconductores y los convir-

tiera en aislantes efectivos. A continuacin, se aplic un voltaje grande a los electrodos

metlicos, lo que provoc una transmisin de corriente a travs de los tubos metlicos,

pero no de los tubos aislantes. As, los tubos metlicos se vaporizan y dejan atrs los

tubos semiconductores.

5.4.2 Estructura

Existe una variedad de estructuras en los nanotubos de carbono que presentan propiedades

diferentes. Aunque realmente los nanotubos de carbono no se obtienen al enrollar lminas

de grato es posible explicar las diferentes estructuras si se considera cmo las lminas de

grato se podran enrollar para formar los tubos. Se puede formar un nanotubo cuando se

enrolla una lmina de grato alrededor del eje T, que aparece en la gura 5.14. El vector

Ch se llama vector circunferencial y forma un ngulo recto con el eje T. En la gura 5.11 se muestran tres ejemplos de estructuras de nanotubos, construidas con la lmina de gra-

to enrollada alrededor del eje T, con diferentes orientaciones en la lmina de grato.

Cuando T es paralelo a los enlaces CC de los hexgonos de carbono se obtiene la

estructura que se muestra en la gura 5.11a, conocida como estructura de brazo de

silla. Las estructuras representadas en las guras 5.11b y 5.11c, denominadas respecti-

vamente como estructuras zigzag y quiral, se forman cuando se enrollan alrededor de un

Figura 5.14. Lmina de grato que muestra los vectores bases a1 y a2de una celda uni-

dad bidimensional, el eje T alrededor del cual se enrolla la lmina para generar la estruc-

tura de brazo de silla representado en la gura 5.11a y el vector circunferencial Ch a un ngulo recto respecto a T. Otras orientaciones de T en la lmina generan las estructuras de

zigzag y quiral de las guras 5.11b y 5.11c, respectivamente.

Grafeno, el material que marcar la nueva era de la electrnica.

Desde hace un par de aos nos viene sonando el nombre de un material que parece abrirnos las puertas de un

futuro muy prometedor con dispositivos electrnicos extremadamente eficientes, resistentes y capaces de

superar las presentes barreras tecnolgicas de la miniaturizacin: el grafeno.

Este material, en el que la Comisin Europea ha anunciado que invertir mil millones de euros en proyectos de

investigacin, nos acerca hacia un punto de inflexin en el que la tecnologa que conocemos dar un enorme

salto cualitativo presentndonos dispositivos electrnicos flexibles, implantes biocompatibles de pequeo

tamao, lneas de alta tensin de alta conductividad o memorias de gran capacidad; dispositivos que sin darnos

cuenta se iran alejando de uno de los materiales que ha marcado nuestra tecnologa en los ltimos 70 aos: el

silicio.

Qu es el grafeno?

El grafeno es un material compuesto por carbono puro; de hecho, su composicin qumica es idntica al

diamante o al grafito y la diferencia estriba en la estructura en la que se organizan los tomos de este elemento

(que es lo que conoce como alotropa). En el caso del grafeno, la estructura de los tomos y los enlaces entre

estos forman una especie de teselado hexagonal (igual que los panales de abeja) que comenz a estudiarse en

los aos 30, aunque nos parezca un material muy nuevo, y a finales de los aos 40 se publicaron algunos

estudios de caracterizacin del material. Por aquel entonces, sin embargo, se determin que era un material

inestable y no se le prest demasiada atencin.

Hubo que esperar a nuestra poca para que Andre Geim y a Konstantin Novoselov trabajasen, en la Universidad

de Mnchester, en su caracterizacin y su asilamiento a temperatura ambiente (un trabajo por el que recibiran

el Premio Nobel de Fsica en el ao 2010).

El grafeno tiene el potencial de revolucionar muchos aspectos de nuestra vida al mismo tiempo.

Y por qu es importante el grafeno? Qu puede aportar un derivado del carbono al mundo de la tecnologa?

El grafeno es un material muy flexible y resistente (gran elasticidad y dureza, con una dureza muy superior a la

del acero y cercana al diamante), es transparente, es capaz de autoenfriarse y autorepararse, tiene una

resistividad muy baja (apenas se calienta al transportar corriente y, por tanto, apenas hay prdidas por efecto

Joule), consume menos energa que el silicio y tambin es capaz de generar electricidad en presencia de luz y,

siguiendo con la comparativa con el silicio, tambin puede ser dopado con otros materiales para variar sus

propiedades.

El grafeno en el mbito de la electrnica

Las propiedades que presenta el grafeno han hecho que este material se haya postulado como un complemento e

incluso como un sustituto del silicio en el mbito de la electrnica y los circuitos integrados, as como la base

sobre la que construir los ansiados sperconductores que nos permitan evolucionar nuestras lneas de alta

tensin para transportar energa de manera eficiente a nuestros hogares.

A da de hoy, el grafeno es el eje sobre el que giran un gran nmero de investigaciones de todo el mundo,

tanto para desarrollar procesos de fabricacin del material (que hagan viable su uso masivo) como para su

integracin en dispositivos electrnicos. En el ao 2008, IBM anunci uno de sus trabajos de I+D con grafeno,

desarrollando transistores que trabajaban a 26 GHz, una cota que superara aos ms tarde llegando a los 100

GHz y los 300 GHz. Samsung es otra de las compaas que han trabajado con el grafeno en el desarrollo de

transistores y, recientemente, presentaron el Barristor, un transistor de silicio y grafeno ideal para trabajar en

aplicaciones con conmutaciones muy rpidas y abrir la puerta al desarrollo de microprocesadores capaces de

alcanzar las centenas de GHz o, incluso, llegar al THz de frecuencia de funcionamiento.

Y

por

qu

combinar el grafeno con el silicio? Gordon Moore, uno de los fundadores de Intel, enunci en abril de 1965 la

conocida como Ley de Moore, un postulado que deca que aproximadamente cada dos aos se duplicaba el

nmero de transistores en un circuito integrado y, por tanto, tambin se reduca el tamao de estos para que el

factor de forma no creciese en demasa.

Este postulado, hoy en da, sigue estando vigente: nuestros microprocesadores cada vez tienen ms

transistores y estos son cada vez ms pequeos. Sin embargo, estamos llegando a los propios lmites del

silicio. Dicho de otra forma, cada vez nos acercamos ms a un tamao de transistor que no se podra reducir

ms sin riesgo de inestabilidades, una barrera que el grafeno puede ayudar a superar y, precisamente, por eso

est presente en esta nueva generacin de transistores que se est desarrollando en muchos de estos centros de

investigacin.

De hecho, tanto Samsung como la UCLA (Universidad de California Los ngeles) trabajan en un proyecto de

investigacin para miniaturizar, an ms, las memorias flash y superar la barrera de los 22 nanmetros para

llegar a un objetivo de tamao de 10 nanmetros. Memorias flash ms pequeas nos permitiran aumentar,

sustancialmente, la capacidad de almacenamiento de nuestros dispositivos sin necesidad de aumentar su tamao

o su factor de forma, algo en lo que se veran beneficiados los smartphones, tabletas y dispositivos multimedia

del futuro.

El futuro al que nos transporta el grafeno

El grafeno nos est abriendo las puertas de un futuro de dispositivos mucho ms pequeos pero, a su vez,

mucho ms potentes: un escenario en el que podremos trabajar con dispositivos de gran velocidad y transmitir

datos, de manera inalmbrica, a velocidades del orden de los terabits por segundo y visualizar toda esta

informacin en pantallas flexibles que recuperan su forma original tras sufrir cualquier clase de deformacin.

Y cundo llegar este futuro tan fascinante? La respuesta a esta pregunta, realmente, no es nada sencilla,

pero existen algunos estudios que apuntan a 2024 como la fecha de la explosin del grafeno. Segn James D.

Meindl, responsable del centro de investigacin de nanoelectrnica del Georgia Institute of Technology, el

grafeno no sustituir al silicio de los componentes y dispositivos comerciales hasta dentro de algo ms de 10

aos, es decir, hasta que no alcancemos un punto muerto en nuestros actuales procesos de fabricacin, momento

en el que la famosa Ley de Moore dejara de cumplirse (algo que se dice que ocurrir en 2024, cuando

lleguemos al lmite de la tecnologa con los 7 nanmetros de tamao de transistor).

Aunque el grafeno se convierta en el material de moda, esto no implica que abandonemos el silicio como la

base de nuestra tecnologa; de hecho, estamos viendo cmo las investigaciones caminan por una senda en la que

el grafeno acta como un complemento del silicio y son varias las voces que afirman que el grafeno no tienen

por qu significar el fin de la era del silicio. En este sentido, el fsico holands Walt de Heer es una de las voces

que ms se ha alzado en esta tesis:

El grafeno nunca reemplazar al silicio. Nadie que conozca el mundillo puede decir esto seriamente.

Simplemente, har algunas cosas que el silicio no puede hacer. Es como con los barcos y los aviones. Los

aviones nunca han reemplazado a los barcos.

Un material fascinante que, sin duda, cada vez estar ms presente en bateras, pantallas y todo tipo de

dispositivos que lleguen al mercado en los prximos aos.

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nanotecnologia y grafeno

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