El grafeno, una hoja de carbono de un átomo de espesor, se ha promocionado como un nuevo material maravilloso:es más fuerte que el acero y conduce la electricidad mejor que el cobre.

En el diario Nanotecnología de la naturaleza hoy dia, Mis colegas y yo mostramos cómo se puede usar el grafeno para construir un detector de luz de longitud de onda larga (infrarrojo lejano o terahercios) que es tan sensible como cualquier detector existente. pero mucho más pequeño y más de un millón de veces más rápido. El detector podría mejorar las gafas de visión nocturna, herramientas de análisis químico y escáneres corporales de aeropuertos.

Pero antes de entrar en la investigación, Me gustaría hablar sobre cómo pasamos del descubrimiento de un nuevo material maravilloso como el grafeno a nuevas tecnologías que son útiles.

Como investigador que trabaja en nuevos materiales, Constantemente me preguntan "¿para qué sirve?" Para responder a esto, Lo primero que intentamos los investigadores es imaginar el nuevo material como un reemplazo de uno existente en una tecnología existente.

El problema con ese enfoque es que cualquier tecnología existente tiene mucho impulso. Por ejemplo, considere los procesadores de computadora. Los electrones en el grafeno se mueven unas 70 veces más rápido que los del silicio (que se utilizan en la mayoría de los procesadores de computadora en la actualidad) en las mismas condiciones. por lo que se podría decir que el grafeno podría usarse para hacer chips de computadora más rápidos.

Pero no es tan simple. Hay muchas razones por las que usamos silicio además de la velocidad a la que viajan los electrones:forma fácilmente una capa de óxido fuerte y es fácil de dopar. por nombrar un par. Y cambiar a un material radicalmente diferente significaría desechar toda la infraestructura utilizada para fabricar chips de silicio que se desarrolló a un costo enorme durante las últimas décadas.

Por lo tanto, una pregunta mejor, aunque mucho más difícil de responder, es preguntar qué material nuevo podría permitirnos hacer que ningún otro material nos haya permitido antes. Las respuestas a esa pregunta no siempre llegan de inmediato, ya veces vienen por casualidad.

Dos capas son mejores que una

Una propiedad del grafeno que me interesó fue que el grafeno bicapa (dos capas apiladas una sobre otra) tiene una banda prohibida, la propiedad básica de un semiconductor, que se puede ajustar aplicando un campo eléctrico al material.

Me asocié con investigadores de la Universidad de Maryland para intentar medir esta banda prohibida utilizando luz infrarroja, ya que los fotones infrarrojos tienen energías que son similares a la banda prohibida del grafeno bicapa. Cuando medimos la conductancia de nuestro grafeno bicapa bajo iluminación infrarroja, descubrimos que cambió mucho más de lo que esperábamos.

De hecho, ¡el cambio en la conductancia en nuestro grafeno fue mayor que el del fotodetector de silicio comercial que estábamos usando para medir la potencia de nuestro haz infrarrojo! Por alguna razón, nuestro grafeno fue un excelente fotodetector.

Sabíamos lo suficiente sobre el grafeno para descubrir qué estaba sucediendo. Cuando los electrones del grafeno absorben la luz, se calientan. En la mayoría de los materiales, los electrones pierden energía rápidamente debido a las vibraciones de los átomos, que sentimos como calor.

Pero en el grafeno este proceso de pérdida de calor es muy ineficiente, lo que le da al grafeno su extraordinariamente alta conductividad eléctrica. Lo que nos dimos cuenta es que el grafeno bicapa con banda prohibida tiene una conductancia que varía mucho con la temperatura de los electrones, permitiéndonos leer el cambio en la temperatura de los electrones causado por la luz que calienta los electrones.

Tal dispositivo se llama "bolómetro de electrones calientes" y el grafeno bicapa es muy bueno. Publicamos nuestro resultado en la revista Nanotecnología de la naturaleza en 2012, y varios grupos de investigación están interesados ​​en desarrollar bolómetros de grafeno como detectores criogénicos exquisitamente sensibles para su uso en radioastronomía.

Desafortunadamente, el efecto bolométrico solo funciona bien a baja temperatura, donde la resistencia del grafeno bicapa cambia fuertemente con la temperatura. Pero sabíamos por nuestras mediciones que los efectos de los electrones calientes deberían ser importantes en el grafeno a temperatura ambiente.

Nuestro equipo diseñó un dispositivo que podía medir los electrones calientes a temperatura ambiente, utilizando un efecto llamado termoelectricidad. Nuestros primeros detectores fototermoeléctricos de grafeno eran comparables en sensibilidad a los mejores detectores de luz a temperatura ambiente disponibles en el infrarrojo lejano. o terahercios, régimen del espectro electromagnético, y vimos espacio para mejoras de orden de magnitud en la sensibilidad con nuevos diseños.

Curiosamente, nuestros dispositivos eran más de un millón de veces más rápidos que esos detectores, y son estos resultados los que publicamos hoy, una vez más en Nanotecnología de la naturaleza .

El grafeno nos muestra la luz

La detección de luz infrarroja y de terahercios tiene numerosos usos, desde análisis químicos hasta gafas de visión nocturna y escáneres corporales utilizados en la seguridad aeroportuaria.

Pero desde un ultrarrápido, El detector sensible de terahercios nunca se había considerado una posibilidad antes, es difícil decir dónde se pueden aplicar nuestros dispositivos.

Nuestro detector podría utilizarse para acelerar técnicas de análisis químico como la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier, o FTIR.

Debido a que el detector de grafeno se microfabrica fácilmente, imaginamos matrices de píxeles detectores adecuados para la obtención de imágenes, lo que podría dar lugar a cámaras infrarrojas económicas o gafas de visión nocturna.

Nuestros cálculos muestran que el efecto fototermoeléctrico de electrones calientes puede ser un medio eficiente para recolectar energía de la luz. Quizás nuestros dispositivos podrían usarse para recolectar la luz infrarroja que escapa de la Tierra hacia el cielo nocturno, y convertirlo en electricidad. Tal vez se utilicen para algo en lo que ni siquiera hemos pensado todavía.

Pero si nunca nos hubiéramos propuesto investigar un nuevo material simplemente por entender cómo funciona, nunca hubiéramos descubierto estas nuevas respuestas a la pregunta, "¿Para que sirve?"

Esta historia se publicó por cortesía de The Conversation (bajo Creative Commons-Attribution / Sin derivados).