Los químicos del Graphene Flagship de Europa revisan el potencial de los materiales compuestos orgánicos de grafeno en la electrónica. Los investigadores muestran cómo se pueden utilizar semiconductores orgánicos para procesar mejor el grafeno, y ajustar sus propiedades para aplicaciones particulares.

El más conocido de todos los materiales bidimensionales, El grafeno tiene propiedades que lo hacen atractivo para una amplia gama de Aplicaciones ópticas y electrónicas. El grafeno es un desafío para producir a escala industrial, sin embargo, y puede resultar difícil ajustar sus propiedades para que se adapten a funciones específicas. Con la esperanza de resolver estos dos problemas simultáneamente, El interés de la investigación se centra en la interacción del grafeno con semiconductores orgánicos hechos a medida.

Los químicos llevan mucho tiempo interesados ​​en moléculas orgánicas para aplicaciones de nanotecnología. Las moléculas orgánicas más pequeñas pueden permitir el ensamblaje molecular de nanomateriales de carbono en arquitecturas muy ordenadas como las nano fibras, cristales y monocapas. La columna vertebral de los átomos de carbono en los polímeros, por otra parte, puede conducir a ensamblajes a gran escala más desordenados, pero las formas alargadas y flexibles de los polímeros proporcionan una alta solubilidad y un transporte eficiente de la carga eléctrica.

El procesamiento escalable y la funcionalización del grafeno es el tema de un artículo de tres científicos emblemáticos de Graphene que escriben en la revista de la Royal Society of Chemistry, los Revista de Química de Materiales C . The Graphene Flagship es un consorcio internacional de socios académicos e industriales, cofinanciado por la Comisión Europea, que se centra en el desarrollo de grafeno y materiales 2d relacionados.

Andrea Schlierf, Paolo Samorì y Vincenzo Palermo analizan en su revisión una serie de polímeros comerciales, cuyas propiedades mecánicas y eléctricas podrían mejorarse con la adición de grafeno. Los autores también consideran al grafeno como sustrato para aplicaciones biomédicas, y el uso de semiconductores orgánicos para abrir una brecha de banda electrónica en el grafeno. La ausencia de una banda prohibida en la forma pura de este material altamente conductor es un problema importante que dificulta su explotación en la electrónica.

Deposite pequeñas moléculas orgánicas en una superficie plana de carbono como el grafeno, y se puede modular esa superficie a través del proceso químico no dirigido externamente conocido como autoensamblaje. Hay muchas clases de moléculas que pueden usarse para este propósito, que van desde alcanos simples hasta hidrocarburos aromáticos más grandes. El autoensamblaje está en todos los casos impulsado por una interacción compleja entre interacciones intermoleculares y molécula-sustrato.

Los resultados experimentales muestran que la nucleación, La orientación y el empaquetamiento de semiconductores orgánicos en grafeno son bastante diferentes de los que se cultivan en sustratos convencionales como el silicio y el grafito. Agregar cadenas laterales químicas a la columna vertebral de las moléculas orgánicas también puede exponer funcionalidades que trabajan en sinergia o en oposición a la interacción central entre las moléculas adsorbidas y el grafeno. conduciendo a vías de autoensamblaje más complejas.

Recubrir el grafeno con moléculas orgánicas en el vacío es una cosa, pero cuando se trata de funcionalización y coste, Los sistemas híbridos de grafeno orgánico soluble tienen claras ventajas sobre el grafeno producido por deposición de vapor químico o crecimiento epitaxial. Las suspensiones orgánicas de grafeno se pueden procesar con técnicas de deposición de gran superficie, como la impresión por chorro de tinta, con el grafeno producido por exfoliación en fase líquida en un disolvente orgánico. Este es el enfoque del fregadero de la cocina para la fabricación de grafeno, y el proceso es barato, eficaz y altamente escalable.

Un ejemplo de este enfoque de base líquida para la exfoliación con grafeno se proporciona en otra publicación de investigación reciente a la que contribuyeron los tres revisores. En un artículo publicado en la revista 2D Materials del Institute of Physics, Schlierf y sus colegas describen la exfoliación, procesamiento e inclusión en compuestos poliméricos de nanoplaquetas de grafeno utilizando sal sódica de ácido sulfónico de azul de indantrona, un colorante industrial común conocido como IBS para abreviar.

Como es común con los nanomateriales compuestos en general, la adsorción de moléculas orgánicas en el grafeno puede tener un efecto significativo sobre las propiedades electrónicas de este último. La influencia del dopaje de este material se confirma mediante mediciones espectroscópicas, e incluye la división de la banda G en espectros Raman.

Otro efecto notable de las interacciones grafeno-orgánico es la extinción de la fluorescencia en los tintes emisores de luz por carga o transferencia de energía. En este caso, la interacción está asociada con campos electromagnéticos fuertemente mejorados como resultado de la naturaleza de sumidero de energía del grafeno. Es esta cualidad del grafeno lo que lo convierte en un material prometedor para la fotodetección. Aplicaciones nano-fotónicas y fotovoltaicas.

La adsorción de semiconductores orgánicos también puede conferir una función magnética al grafeno, complementando su electrónica, propiedades mecánicas y ópticas. Esto podría conducir a la aplicación de materiales híbridos grafeno-orgánicos en espintrónica, con funcionalidades magnéticas que alteran la polarización de espín de las corrientes eléctricas que fluyen en el grafeno.

Dejando a un lado la espintrónica, el potencial del grafeno en la electrónica se basa en gran medida en su aplicación en circuitos integrados, y por ejemplo en los componentes conocidos como transistores de efecto de campo (FET). El problema con el grafeno, al menos en su forma prístina, es que la alta movilidad del portador de carga se ve compensada por una relación de conmutación de corriente de encendido / apagado muy baja. El dopaje de grafeno con otros materiales puede mejorar esto hasta cierto punto, pero hay otra forma de abordar el problema. El grafeno podría incorporarse en FET orgánicos, resultando en un aumento de la movilidad de los electrones, y proporciones de cambio comparables o mejores que las observadas en los FET orgánicos sin grafeno.

El foco aquí está en el grafeno, pero el grafeno es solo uno de los cientos de materiales bidimensionales de interés para los investigadores y la industria emblemáticos. Otros materiales en capas notables incluyen nitruro de boro y disulfuro de molibdeno (MoS2), cuyas cualidades semiconductoras les confieren una ventaja sobre el grafeno puro en determinadas aplicaciones. Tales materiales 2d podrían usarse, por ejemplo, en aisladores de puertas de transistores, componentes fotosensibles, como materiales activos para FET, o en electrodos. Recientemente se demostró un compuesto polimérico de MoS2 exfoliado en fase líquida y óxido de polietileno como material de ánodo para baterías de iones de litio. El compuesto muestra altas capacidades de almacenamiento de carga, y reversibilidad a largo plazo.

A menudo se habla del grafeno en contraste con el silicio como el material electrónico de una 'era post-silicio'. La realidad tiene más matices que esta imagen idealizada, pero aún, el grafeno puede, en algunos aspectos, superar al silicio. También abre nuevas posibilidades, especialmente cuando se usa en combinación con otros materiales.

"Una gran ventaja del grafeno sobre el silicio es que se basa en carbono, que forma la base de todos los materiales orgánicos ", dice Vincenzo Palermo, quien dirige la unidad de materiales orgánicos funcionales en el Instituto de Síntesis Orgánica y Fotorreactividad del Consejo Nacional de Investigación de Italia en Bolonia. "Esta afinidad del grafeno con los compuestos orgánicos permite una integración perfecta del grafeno en materiales compuestos para la electrónica flexible, aplicaciones biomédicas y de detección. El grafeno puede interactuar fuertemente y ajustar la morfología de la mayoría de las moléculas orgánicas, y lo hace de forma más controlada que con otros materiales como el silicio o los metales ”.

Como afirman Palermo y sus coautores en la conclusión de su revisión, la posibilidad de combinar materiales a base de carbono con propiedades muy diferentes debería permitir la integración de la electrónica de alta velocidad, electrónica orgánica y ciencia de materiales compuestos.