Un método de grafeno más simple allana el camino para la nueva era de la nanoelectrónica

Desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha llamado la atención debido a sus extraordinarias propiedades, entre ellas su altísima movilidad como portador. Sin embargo, la alta movilidad de los portadores solo se ha observado utilizando técnicas que requieren métodos de fabricación complejos y costosos. Ahora, los investigadores de Chalmers informan sobre una movilidad del portador de carga sorprendentemente alta del grafeno utilizando métodos mucho más baratos y simples.

"Este hallazgo muestra que el grafeno transferido a sustratos baratos y flexibles aún puede tener una alta movilidad sin concesiones, y allana el camino para una nueva era de nanoelectrónica de grafeno", dice Munis Khan, investigador de la Universidad Tecnológica de Chalmers.

El grafeno es la capa de átomos de carbono de un átomo de espesor, conocida como el material más delgado del mundo. El material se ha convertido en una opción popular en la industria de semiconductores, automotriz y optoelectrónica debido a sus excelentes propiedades eléctricas, químicas y materiales. Una de esas propiedades es su movilidad de portador extremadamente alta.

"En la física del estado sólido, la movilidad del portador de electrones caracteriza la rapidez con la que un electrón puede moverse a través de un metal o semiconductor cuando es atraído por un campo eléctrico. La alta movilidad de electrones del grafeno apunta a un gran potencial para las comunicaciones de banda ancha y la electrónica de alta velocidad que opera en velocidades de conmutación de terahercios. Además, las otras propiedades del material, como la alta estabilidad química, la excelente transparencia y la sensibilidad eléctrica a los productos bioquímicos, lo convierten en un material prometedor para pantallas, dispositivos de captación de luz y biosensores", dice Munis Khan.

Sin embargo, la movilidad extremadamente alta del portador en el grafeno se observa en el grafeno exfoliado mecánicamente, un proceso que carece de escalabilidad industrial, o en dispositivos de grafeno fabricados con nitruro de boro hexagonal. Estas altas movilidades también se han observado mediante la transferencia de grafeno cultivado mediante un proceso llamado deposición química de vapor (CVD) a heteroestructuras de óxido complejo. Todas estas técnicas requieren métodos de fabricación complejos y costosos, lo que no solo encarece sino que también dificulta la producción en masa de dichos dispositivos.

Grafeno más económico con alta movilidad del portador

Ahora, Munis Khan y sus colegas informan sobre una movilidad del portador de carga sorprendentemente alta de grafeno CVD cultivado en lámina de cobre sin pulir y transferido a lámina de laminación EVA/PET mediante el uso de un laminador de oficina común y grabado húmedo de cobre. La movilidad aumentó hasta ocho veces después de simplemente mantener el sándwich de grafeno sobre plástico a 60 C durante unas horas.

"Este hallazgo muestra que incluso los dispositivos de grafeno baratos y flexibles aún pueden tener una alta movilidad sin concesiones", dice Munis Khan. "Nuestro artículo propone un método sencillo para fabricar dispositivos de grafeno baratos en sustratos flexibles con alta movilidad de portadores, probablemente solo limitado por el proceso de CVD y la pureza del cobre".

El grafeno CVD transferido a EVA/PET se está explorando y estudiando intensamente para la electrónica flexible y estirable, especialmente en sistemas que se adaptan a la forma, como dispositivos portátiles de recolección de energía, pieles electrónicas y dispositivos electrónicos portátiles, que necesitan alta flexibilidad y capacidad de estiramiento. Los semiconductores convencionales carecen de las propiedades mecánicas superiores que posee el grafeno, lo que los hace inadecuados para tales aplicaciones; a menudo, se requieren películas de grafeno flexibles altamente conductoras que posean una alta movilidad del portador.

"Nuestra observación de hecho aumentará el alcance de tales películas de grafeno flexibles en este campo. Esto también podría marcar el comienzo de la nueva era de la electrónica flexible. Las aplicaciones que requieren películas delgadas altamente conductoras ahora se pueden realizar mediante un método asequible y simple como se propone en nuestro artículo. De hecho, en nuestro grupo de investigación tenemos la intención de utilizar este tipo de películas de grafeno para fabricar biosensores extremadamente sensibles, detectores de terahercios y dispositivos de alta frecuencia, aplicaciones que también requieren una alta movilidad de los portadores. El desafío será integrar técnicas de microfabricación para fabricar dispositivos sobre sustratos flexibles. Si se resuelven estos problemas, probablemente dentro de 2 o 3 años, podemos comenzar a utilizar estas películas de grafeno para fabricar dispositivos para uso industrial", dice Munis Khan.

Sobre el descubrimiento

La deposición química de vapor (CVD) de grafeno en láminas comerciales de cobre (Cu) proporciona una ruta escalable hacia el grafeno de una sola capa de alta calidad. El método CVD se basa en reactivos gaseosos que se depositan sobre un sustrato. El grafeno crece sobre una superficie metálica como Cu, Pt o Ir, después de lo cual puede separarse del metal y transferirse a sustratos específicamente requeridos. El proceso puede explicarse simplemente como gases que contienen carbono que reaccionan a altas temperaturas (900–1100 grados Celsius) en presencia de un catalizador metálico, que sirve como catalizador para la descomposición de las especies de carbono y como superficie para la nucleación de la red de grafeno.

Los investigadores han descubierto que el grafeno CVD, una vez que se transfirió del cobre a EVA/PET (bolsa de laminación ordinaria) mediante laminación por presión en caliente, mostró inicialmente una baja movilidad del portador en un rango de 500 a 1000 cm² . /(Vs). Pero, una vez que dichas películas se mantuvieron a 60 C durante varias horas en un flujo constante de nitrógeno, la movilidad aumentó ocho veces y alcanzó los 6000—8000 cm² . /(V·s) a temperatura ambiente.

La investigación fue publicada en Nanomaterials . + Explora más