Una nueva técnica inventada en Caltech para producir grafeno, un material compuesto por una capa de carbono de un átomo de espesor, a temperatura ambiente podría ayudar a allanar el camino para las células solares y los diodos emisores de luz comercialmente factibles. pantallas de panel grande, y electrónica flexible.

"Con esta nueva técnica, podemos cultivar grandes hojas de grafeno de grado electrónico en mucho menos tiempo y a temperaturas mucho más bajas, "dice el científico del personal de Caltech, David Boyd, quien desarrolló el método.

Boyd es el primer autor de un nuevo estudio, publicado en el número del 18 de marzo de la revista Comunicaciones de la naturaleza , detallando el nuevo proceso de fabricación y las nuevas propiedades del grafeno que produce.

El grafeno podría revolucionar una variedad de campos científicos y de la ingeniería debido a sus propiedades únicas, que incluyen una resistencia a la tracción 200 veces más fuerte que el acero y una movilidad eléctrica que es dos o tres órdenes de magnitud mejor que el silicio. La movilidad eléctrica de un material es una medida de la facilidad con la que los electrones pueden viajar a través de su superficie.

Sin embargo, Se ha demostrado que lograr estas propiedades a una escala industrialmente relevante es complicado. Las técnicas existentes requieren temperaturas demasiado altas:1, 800 grados Fahrenheit, o 1, 000 grados Celsius:para incorporar la fabricación de grafeno con la fabricación electrónica actual. Adicionalmente, El crecimiento de grafeno a alta temperatura tiende a inducir grandes deformación incontrolable distribuida en el material, que compromete gravemente sus propiedades intrínsecas.

"Previamente, las personas solo pudieron cultivar unos pocos milímetros cuadrados de grafeno de alta movilidad a la vez, y requería temperaturas muy altas, largos periodos de tiempo, y muchos pasos, "dice el profesor de física de Caltech, Nai-Chang Yeh, el Co-Director de la Fundación Fletcher Jones del Instituto de Nanociencia Kavli y el autor correspondiente del nuevo estudio. "Nuestro nuevo método puede producir grafeno de alta movilidad y casi libre de tensión en un solo paso en solo unos minutos sin alta temperatura. Hemos creado tamaños de muestra de unos pocos centímetros cuadrados, y como pensamos que nuestro método es escalable, creemos que podemos cultivar hojas de hasta varias pulgadas cuadradas o más grandes, allanando el camino hacia aplicaciones realistas a gran escala ".

El nuevo proceso de fabricación podría no haberse descubierto en absoluto si no fuera por un giro afortunado de los acontecimientos. En 2012, Boyd, luego trabajando en el laboratorio del difunto David Goodwin, en ese momento un profesor de Caltech de ingeniería mecánica y física aplicada, estaba tratando de reproducir un proceso de fabricación de grafeno sobre el que había leído en una revista científica. En este proceso, El cobre calentado se utiliza para catalizar el crecimiento del grafeno. "Estaba jugando con él a la hora del almuerzo, "dice Boyd, que ahora trabaja con el grupo de investigación de Yeh. "Pero la receta no estaba funcionando. Parecía un proceso muy simple. Incluso tenía mejor equipo que el que se usó en el experimento original, así que debería haber sido más fácil para mí ".

Durante uno de sus intentos de reproducir el experimento, El teléfono sonó. Mientras Boyd atendía la llamada, involuntariamente dejó que una lámina de cobre se calentara durante más tiempo de lo habitual antes de exponerla al vapor de metano, que proporciona los átomos de carbono necesarios para el crecimiento del grafeno.

Cuando más tarde Boyd examinó la placa de cobre usando espectroscopía Raman, una técnica utilizada para detectar e identificar el grafeno, vio evidencia de que efectivamente se había formado una capa de grafeno. "Fue un '¡A-ha!' momento, "Dice Boyd." Entonces me di cuenta de que el truco para crecer es tener una superficie muy limpia, uno sin el óxido de cobre ".

Como recuerda Boyd, luego recordó que Robert Millikan, un físico ganador del Premio Nobel y director de Caltech desde 1921 hasta 1945, también tuvo que lidiar con la eliminación del óxido de cobre cuando realizó su famoso experimento de 1916 para medir la constante de Planck, que es importante para calcular la cantidad de energía de una sola partícula de luz, o fotón, Boyd se preguntó si él, como Millikan, podría idear un método para limpiar su cobre mientras estaba en condiciones de vacío.

La solución que encontró Boyd fue utilizar un sistema desarrollado por primera vez en la década de 1960 para generar un plasma de hidrógeno, es decir, gas hidrógeno que ha sido electrificado para separar los electrones de los protones, para eliminar el óxido de cobre a temperaturas mucho más bajas. Sus experimentos iniciales revelaron no solo que la técnica funcionó para eliminar el óxido de cobre, pero que también producía grafeno simultáneamente.

En primer lugar, Boyd no pudo entender por qué la técnica tuvo tanto éxito. Más tarde descubrió que dos válvulas con fugas dejaban entrar pequeñas cantidades de metano en la cámara del experimento. "Las válvulas dejaban entrar la cantidad justa de metano para que creciera el grafeno, " él dice.

La capacidad de producir grafeno sin la necesidad de calentamiento activo no solo reduce los costos de fabricación, pero también da como resultado un mejor producto porque se generan menos defectos, introducidos como resultado de los procesos de expansión y contracción térmica. Esto, a su vez, elimina la necesidad de varios pasos de posproducción. "Típicamente, Se necesitan alrededor de diez horas y de nueve a diez pasos diferentes para hacer un lote de grafeno de alta movilidad utilizando métodos de crecimiento a alta temperatura. "Yeh dice." Nuestro proceso implica un paso, y tarda cinco minutos ".

El trabajo del grupo de Yeh y colaboradores internacionales reveló más tarde que el grafeno fabricado con la nueva técnica es de mayor calidad que el grafeno fabricado con métodos convencionales:es más fuerte porque contiene menos defectos que podrían debilitar su resistencia mecánica. y tiene la movilidad eléctrica más alta hasta ahora medida para el grafeno sintético.

El equipo cree que una de las razones por las que su técnica es tan eficiente es que una reacción química entre el plasma de hidrógeno y las moléculas de aire en la atmósfera de la cámara genera radicales ciano, moléculas de carbono-nitrógeno que han sido despojadas de sus electrones. Como diminutos superdepuradores, estas moléculas cargadas limpian eficazmente el cobre de las imperfecciones de la superficie, proporcionando una superficie prístina sobre la que crecer el grafeno.

Los científicos también descubrieron que su grafeno crece de una manera especial. El grafeno producido mediante procesos térmicos convencionales crece a partir de un mosaico aleatorio de deposiciones. But graphene growth with the plasma technique is more orderly. The graphene deposits form lines that then grow into a seamless sheet, which contributes to its mechanical and electrical integrity.

A scaled-up version of their plasma technique could open the door for new kinds of electronics manufacturing, Yeh says. Por ejemplo, graphene sheets with low concentrations of defects could be used to protect materials against degradation from exposure to the environment. Another possibility would be to grow large sheets of graphene that can be used as a transparent conducting electrode for solar cells and display panels. "En el futuro, you could have graphene-based cell-phone displays that generate their own power, " Yeh says.

Another possibility, she says, is to introduce intentionally imperfections into graphene's lattice structure to create specific mechanical and electronic attributes. "If you can strain graphene by design at the nanoscale, you can artificially engineer its properties. But for this to work, you need to start with a perfectly smooth, strain-free sheet of graphene, " Yeh says. "You can't do this if you have a sheet of graphene that has uncontrollable defects in different places."