Teléfonos móviles que se doblan nanodispositivos autoalimentados, La tecnología nueva y mejorada de células solares y las ventanas que generan electricidad son solo algunos de los productos potenciales de la unión de semiconductores y grafeno.

Los semiconductores cultivados en grafeno en la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) pueden ser el avance de investigación más importante de 2012 en Noruega. En el centro de los esfuerzos de investigación se encuentran el profesor Helge Weman, El profesor Bjørn-Ove Fimland y el becario postdoctoral Dong Chul Kim. El equipo ahora está trabajando para traducir los resultados de su investigación básica en un prototipo inicial.

Solo un átomo de espesor

En los años 1960, Los investigadores imaginaron que el grafito (carbono puro) podría cortarse en capas que midan solo un átomo de grosor, lo que dará como resultado el material conocido como grafeno.

En la década de 1990, los investigadores lograron crear una capa tan delgada como 100 átomos, pero no hubo ningún progreso después de eso hasta 2004, cuando Andre Geim, nacido en Rusia, agarró un dispensador de cinta de su escritorio en la Universidad de Manchester, presionó un poco de cinta sobre una fina capa de grafito y la quitó. Cuando examinó la cinta con un microscopio, descubrió una capa de solo un átomo de carbono de espesor. ¡Nació el grafeno!

En 2010, Dr. Geim y su colega, Konstantin Novoselov, fueron galardonados conjuntamente con el Premio Nobel de Física por su trabajo para demostrar las propiedades únicas del grafeno.

A la cabeza de la manada en NTNU

Seis meses antes de que el Dr. Geim y el Dr. Novoselov llegaran a Estocolmo para recibir su premio, y antes de que el grafeno se convirtiera en un elemento de interés, El becario postdoctoral de Corea del Sur, Dong Chul Kim de la NTNU, había sugerido a los profesores Helge Weman y Bjørn-Ove Fimland del Departamento de Electrónica y Telecomunicaciones que deberían examinar más de cerca precisamente este material. La sugerencia surgió poco después de que un grupo de investigación de su departamento lograra cultivar nanocables semiconductores hechos de arseniuro de galio (GaAs) sobre sustratos de silicio. Esto llevó al Dr. Weman a preguntarse si sería posible cultivar nanocables semiconductores directamente en grafeno.

La experiencia colectiva del profesor Weman, El profesor Fimland y el Dr. Kim demostraron ser una combinación fructífera. Los investigadores lograron rápidamente su primer avance, en septiembre de 2010, y en el verano de 2012 lograron colocar semiconductores de nanocables sobre una base de un átomo de espesor. Estos semiconductores activos normalmente crecen hasta tener un micrón (una millonésima parte de un metro) de espesor.

¿Se volverá obsoleto el silicio?

El grafeno es definitivamente el tema más candente en este momento entre los investigadores de nanomateriales. El material de carbono puro es, con mucho, el más delgado y resistente que se conoce. Es 200 veces más resistente que el acero, conduce electricidad 100 veces más rápido que el silicio y es superior a cualquier otro material en la conducción de calor. Es impenetrable, pero flexible y transparente al mismo tiempo. Y la producción económica a gran escala de grafeno se está convirtiendo en una realidad.

En el presente, La electrónica y las células solares se colocan sobre sustratos de silicio gruesos. Pero el silicio tiene claras limitaciones, incluido el tamaño. Las grandes empresas de tecnología están luchando por producir productos basados ​​en silicio que sean más pequeños que los que se encuentran actualmente en el mercado. Otro desafío con el uso de silicio es que la electrónica basada en silicio genera una gran cantidad de calor. Mucha gente considera que el grafeno es el principal candidato para reemplazar al silicio.

Las grandes corporaciones multinacionales como IBM y Samsung han invertido mucho esfuerzo en la investigación tanto de semiconductores como de grafeno. Pero el verdadero avance en el cultivo de semiconductores en grafeno tuvo lugar en NTNU en Trondheim.

Los hallazgos de estos investigadores en Trondheim se pueden utilizar para fabricar componentes electrónicos y células solares que son varios cientos de veces más delgados que los modelos actuales. Esto permitirá producir productos electrónicos que sean a la vez flexibles y transparentes, además de ser menos costoso y más eficiente energéticamente.

Células solares y LED más eficientes

Probablemente no pasará mucho tiempo antes de que los productos de grafeno simples comiencen a aparecer en el mercado. Algunos de ellos estarán basados ​​en tecnología de semiconductores.

Los semiconductores son un componente principal en casi toda la electrónica moderna. Sin ellos, no sería posible tener computadoras, teléfonos inteligentes, células solares, Luces LED o dispositivos que utilizan láseres, es decir, todo, desde impresoras hasta comunicaciones por fibra. Todos estos elementos se pueden hacer más pequeños y mejores con grafeno. El grafeno puede suplantar el sustrato semiconductor y servir como electrodo transparente para una célula solar de nanocables flexible.

"La tecnología de células solares y LED serán las áreas iniciales para ver nuevos productos que utilicen semiconductores basados ​​en grafeno, "El Dr. Weman cree.

La energía de combustibles fósiles a bajo precio es el principal contribuyente al calentamiento global. La luz solar es una fuente alternativa con un enorme potencial, pero la energía solar tendrá que ser menos cara y más eficiente. Los nanocables semiconductores basados ​​en grafeno pueden finalmente inclinar la balanza a favor de la energía solar.

"Si los nanocables semiconductores cultivados en grafeno se utilizan en células solares, la misma cantidad de luz solar se puede convertir en energía utilizando una décima parte del volumen de materiales utilizados en las células solares de película delgada. Y eso significa que hemos reducido aún más material al hacer crecer los semiconductores en grafeno en lugar de en un sustrato semiconductor grueso. Una nueva investigación también muestra que el grafeno tiene propiedades únicas adicionales que mejoran la eficiencia de una célula solar. "Explica el Dr. Weman.

Las bombillas LED son superiores en términos de eficiencia energética, pero han sido más costosos de producir debido a los costosos sustratos de semiconductores. Los nanocables semiconductores en grafeno permitirán suministrar al mundo bombillas LED que son mucho más baratas y mucho más eficientes, al mismo tiempo que son más flexibles y pesan menos que las bombillas actuales.

Industrialización en el horizonte

El trabajo sobre grafeno en NTNU ha llamado la atención de muchas empresas internacionales interesadas en colaborar con los investigadores de Trondheim y su empresa. CrayoNano. Pero las posibles consultas industriales hasta ahora han venido únicamente de Asia y Estados Unidos. Los actores de Noruega y Europa aún no han expresado ningún interés.

"Somos pioneros en que utilizamos el grafeno para algo más que la investigación básica. Es posible que ya tengamos nuestro primer prototipo a finales de 2013, pero no deseamos revelar lo que es todavía, "Dice el Dr. Weman.

"El campo en el que estamos trabajando, el uso de grafeno como reemplazo del silicio y otros sustratos semiconductores en la electrónica y las células solares, conlleva muchas oportunidades nuevas. Pero el potencial es igual de grande para las aplicaciones que usan grafeno en áreas distintas de la electrónica. como en el sector médico. El grafeno se puede utilizar en el cuerpo sin causar ningún daño, "Explica el Dr. Weman.

"En un mundo donde el agua potable es escasa, El empleo de filtros de grafeno modificados con oxígeno para purificar el agua es otra aplicación interesante. Es una forma completamente nueva de convertir el agua de mar en agua dulce ".

En todo caso, Se necesitarán actividades de investigación y desarrollo durante muchos años. El Dr. Weman compara el estado actual de la investigación del grafeno con el lugar donde se encontraba el silicio a principios de la década de 1960.