Esta semana, Un grupo internacional de científicos informa sobre un gran avance en el esfuerzo por caracterizar las propiedades del grafeno de forma no invasiva mientras se adquiere información sobre su respuesta a la tensión estructural.

Utilizando espectroscopia Raman y análisis estadístico, el grupo logró tomar medidas a nanoescala de la tensión presente en cada píxel de la superficie del material. Los investigadores también obtuvieron una vista de alta resolución de las propiedades químicas de la superficie del grafeno.

Los resultados, dice Slava V. Rotkin, profesor de física y también de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad de Lehigh, potencialmente podría permitir a los científicos monitorear los niveles de tensión de forma rápida y precisa a medida que se fabrica el grafeno. Esto, a su vez, podría ayudar a prevenir la formación de defectos causados ​​por la tensión.

"Los científicos ya sabían que la espectroscopia Raman podría obtener información implícitamente útil sobre la tensión en el grafeno, "dice Rotkin." Demostramos explícitamente que se puede mapear la cepa y recopilar información sobre sus efectos.

"Es más, utilizando análisis estadístico, Demostramos que es posible aprender más sobre la distribución de la tensión dentro de cada píxel, la rapidez con que cambian los niveles de tensión y el efecto de este cambio en las propiedades electrónicas y elásticas del grafeno ".

El grupo informó sus resultados en Comunicaciones de la naturaleza en un artículo titulado "La espectroscopia Raman como sonda de variaciones de tensión a escala nanométrica en el grafeno".

Además de Rotkin, el artículo fue escrito por investigadores de la Universidad RWTH / Aachen y el Centro de Investigación Jülich en Alemania; la Université Paris en Francia; Universidade Federal Fluminense en Brasil; y el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.

El grafeno es el material más delgado conocido por la ciencia, y uno de los más fuertes también. Una hoja de carbono de 1 átomo de espesor, el grafeno fue el primer material bidimensional jamás descubierto. Por peso, es de 150 a 200 veces más resistente que el acero. También es flexible, denso, prácticamente transparente y excelente conductor de calor y electricidad.

En 2010, Andre Geim y Konstantin Novoselov ganaron el Premio Nobel de Física por sus innovadores experimentos con grafeno. Usando cinta adhesiva ordinaria, Los dos físicos británicos lograron despegar capas de grafeno del grafito, una tarea nada fácil si se tiene en cuenta que 1 milímetro de grafito consta de 3 millones de capas de grafeno.

Aproximadamente en la década transcurrida desde que Geim y Novoselov comenzaron a publicar los resultados de su investigación sobre el grafeno, el material ha encontrado su camino en varias aplicaciones, que van desde raquetas de tenis hasta pantallas táctiles de teléfonos inteligentes. El mercado de 2013 para el grafeno en los EE. UU. según un artículo de 2014 en Nature, se estimó en $ 12 millones.

Varios obstáculos están frenando una mayor comercialización del grafeno. Uno de ellos es la presencia de defectos que ejercen presión sobre la estructura reticular del grafeno y afectan negativamente sus propiedades electrónicas y ópticas. Relacionado con esto está la dificultad de producir grafeno de alta calidad a bajo costo y en grandes cantidades.

"El grafeno es estable y flexible y puede expandirse sin romperse, "dice Rotkin, que pasó el otoño de 2013 trabajando en la RWTH / Universidad de Aachen. "Pero tiene arrugas, o burbujas, en su superficie, que dan a la superficie una sensación de colinas e interfieren con posibles aplicaciones ".

Una capa de grafeno se fabrica típicamente sobre un sustrato de dióxido de silicio mediante un proceso llamado deposición química de vapor. El material se puede filtrar por la contaminación que se produce durante el proceso o porque el grafeno y el sustrato tienen diferentes coeficientes de expansión térmica y, por lo tanto, se enfrían y encogen a diferentes velocidades.

Para determinar las propiedades del grafeno, el grupo utilizó espectroscopía Raman, una técnica poderosa que recolecta la luz dispersa de la superficie de un material. El grupo también aplicó un campo magnético para obtener información adicional sobre el grafeno. El campo magnético controla el comportamiento de los electrones en el grafeno, haciendo posible ver más claramente los efectos de la espectroscopia Raman, Rotkin dice.

"La señal Raman representa la 'huella digital' de las propiedades del grafeno, ", Dijo Rotkin." Estamos tratando de comprender la influencia del campo magnético en la señal Raman. Variamos el campo magnético y notamos que cada línea Raman en el grafeno cambia en respuesta a estas variaciones ".

La resolución espacial típica del "mapa Raman" del grafeno es de unos 500 nanómetros (nm), o el ancho del punto láser, el grupo informó en Comunicaciones de la naturaleza . Esta resolución permite medir las variaciones de tensión en una escala micrométrica y determinar la cantidad media de tensión impuesta al grafeno.

Al realizar un análisis estadístico de la señal Raman, sin embargo, el grupo informó que pudo medir la deformación en cada píxel y trazar un mapa de la deformación, y las variaciones de tensión, un píxel a la vez.

Por lo tanto, el grupo informó, fue capaz de "distinguir entre variaciones de deformación en una escala micrométrica, que se pueden extraer de mapas Raman resueltos espacialmente, y variaciones de deformación a escala nanométrica, que se encuentran en escalas de longitud del tamaño de un subpunto y no se pueden observar directamente mediante imágenes Raman, pero se consideran fuentes importantes de dispersión para el transporte electrónico ".

El grupo produjo sus muestras de grafeno mediante deposición química de vapor (CVD) en la RWTH / Universidad de Aachen.