Grafeno: ¿utopía futurista o esperanza del progreso?

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    24-Jul-2015

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<p>FUNDACION UNIVERSIDAD DE LAS AMRICAS PUEBLA</p> <p>Grafeno: utopa futurista o esperanza del progreso? Pensamiento y lenguajeEvelin Jacob PC-114-38 Diego Rosas Villalva Otoo 2011 ID 143697</p> <p>Pgina |1</p> <p>La industria electrnica</p> <p>basada en el silicio est llegando a sus lmites de</p> <p>miniaturizacin, la ley de Moore empricamente establece aproximadamente que cada ao y medio se duplica la cantidad de transistores por rea dentro de un microprocesador y por tanto se duplica velocidad de cmputo de los microchips, por desgracia las tcnicas y materiales actuales impiden que esta ley siga cumplindose. El grafeno es un nuevo material cuyas propiedades tanto metlicas como semiconductoras prometen cambiar la forma de produccin de la electrnica, mejorar la calidad de los productos, reducir el precio al pblico y por tanto permitir que las personas de distintos estratos sociales tengan mayor acceso a los nuevos dispositivos electrnicos, y finalmente, encaminar el desarrollo tecnolgico hacia un futuro ms sustentable. No obstante existen una serie de barreras que hay que vencer antes de lograr la implementacin del grafeno en dispositivos comerciales, entre ellos los costos de obtencin, propiedades, mtodos de procesamiento, y ms importante an, cmo afectara este cambio la manera en la que los procesadores hacen el cmputo de la informacin, tal vez abandonaramos el sistema binario, con 2 estados lgicos, al cual estamos acostumbrados para dar lugar a la computacin cuntica. Finalmente queda mencionar que los productores de dispositivos electrnicos basados en el silicio prefieren seguir usando este material debido a su abundancia en la corteza terrestre y al dinero que han invertido en las tcnicas para el procesamiento de este elemento. Sin embargo si desean seguir explotando el mercado de la industria electrnica, tarde o temprano tendrn iniciar el uso del grafeno y otros materiales avanzados, con el fin de cubrir las demandas del nuevo software y de los usuarios. Mi principal motivacin es la reciente aparicin de diferentes dispositivos electrnicos con aplicaciones de grafeno para mejorar su funcionamiento o eficiencia, los cuales an no son comerciales. Esta investigacin tiene como objetivo no solo enlistar y analizar las barreras hacia la implementacin del grafeno en dispositivos comerciales, sino que busco que sea fcil de leer para un pblico con conocimientos bsicos o muy generales en el</p> <p>Pgina |2</p> <p>campo de la nanotecnologa o la microelectrnica, incluyndome yo en este sector, de esta manera pienso que es posible aumentar el inters de las personas en este mundo fascinante y si no lo logro, espero apaciguar temores o dudas existentes respecto al tema. Bsicamente hago una investigacin acerca de las tcnicas ms recientes de produccin del grafeno, esto es desde el 2008 hasta noviembre de 2011 y hago una ligera comparacin con tcnicas de procesamiento de materiales convencionales en la industria microelectrnica, en el periodo entre 1998 y 2004 ya que en estas fechas se dieron los ltimos saltos importantes en las tcnicas mencionadas. El grafeno es una estructura laminar formada por tomos de carbono distribuidos de forma hexagonal, tal como en un panal de abejas. El grafeno, como elemento estructural componente del grafito es el material ms conductor y resistente que existe en la actualidad y estas caractersticas lo hacen un futuro sustituto del silicio en la fabricacin de chips en la electrnica integrada. (Torres-silva, H. LpezBonilla J.L., 2011). Algunas de las caractersticas prometedoras del grafeno son la alta movilidad de los electrones dentro de su estructura que es casi 10 veces mayor que en el silicio, su baja resistencia que es aproximadamente 35% menor que la del cobre, dureza ms fuerte que la de un diamante y ofrece transporte balstico1 (Joydeep Basu et al. 2010). Desde mi punto de vista, uno de los logros ms trascendentes fue la creacin del primer transistor de grafeno, en el 2009 un equipo de investigadores descubri que podan estirar la hoja de grafeno para crear huecos y evitar el recorrido de los electrones, y de esta manera el grafeno adquira un comportamiento semiconductor (DYNA Ingeniera E Industria,2009), pero fueron investigadores de IBM quienes lograron el primer transistor de grafeno sobre una capa de Carburo de Silicio mediante epitaxia de grafeno; dicho transistor era capaz de funcionar a velocidades</p> <p>1</p> <p>Fenmeno en el cual los electrones no presentan resistencia en su recorrido a travs de un medio, si se quita la corriente el medio deja de transportar electrones a diferencia de la superconductividad que sigue transportando electrones aun si se deja de aplicar la corriente.</p> <p>Pgina |3</p> <p>de 100 GHz, esto supera por mucho el desempeo del transistor actual ms rpido de Arseniuro de Galio (Joydeep Basu et al. 2010). Otros dispositivos electrnicos basados en grafeno son los electrodos transparentes que pueden tener aplicaciones en celdas solares y pantallas transparentes y flexibles; ultracapacitores como alternativa de las bateras recargables, estos pueden almacenar ms energa, son ms ligeros y confiables; sensores qumicos y biolgicos, ya que una simple molcula adsorbida en la superficie del grafeno causa cambios bruscos en su comportamiento y se ha demostrado que la estructura del grafeno dopada con tomos de fosforo, nitrgeno o boro aumentan la sensibilidad de esta; sistemas nano electromecnicos, gracias a las excelentes propiedades mecnicas del grafeno como su flexibilidad, ligereza y dureza; memorias no voltiles etc. (Joydeep Basu et al. 2010). El grafeno no sustituir al Silicio de los componentes y dispositivos comerciales hasta dentro de unos 12 aos, es decir, hasta que no alcancemos un punto muerto en nuestros procesos de fabricacin y no podamos miniaturizar ms nuestros diseos. Si bien las investigaciones marchan a buen ritmo, el uso del grafeno implicara cambios en los procesos de fabricacin (y en los instrumentos utilizados) que tendran que mejorarse sustancialmente. (Meindl) Pero Qu impide que en la actualidad estos dispositivos sean comerciales?, Cules son los procesos que se deben cambiar para llevar a cabo dicha sustitucin? Y Qu ventajas ofrece el grafeno con respecto al silicio y los materiales actuales? Para responder a las cuestiones planteadas, es necesario observar y comparar los mtodos de obtencin del grafeno as como los procesos de manufactura de los actuales dispositivos electrnicos basados en silicio. Los mtodos para la obtencin de grafeno, con sus ventajas y desventajas son los siguientes (Joydeep Basu et al 2010). Exfoliacin mecnica: en este proceso se usan cintas adhesivas para unir hojuelas de grafito a una fotorresistencia y posteriormente pegar y despegar la cinta,</p> <p>Pgina |4</p> <p>de esa forma se forman capas de grafeno las cuales posteriormente son separadas de la fotorresistencia con una solucin de acetona y puestas en una hoja de SiO2 que permite que el grafeno sea observado fcilmente bajo un microscopio ptico, este proceso es el que produce el grafeno de mejor calidad desafortunadamente no es una tcnica escalable2. Grafeno derivado qumicamente: esta tcnica resulta mucho ms rpida y escalable que la anterior y podra satisfacer los requerimientos industriales son embargo las propiedades elctricas se ven afectadas, debido a que en este mtodo se oxidan las capas de grafito para posteriormente unirse entre s y formar grafeno y dicha oxidacin forma puntos de defectos dentro de la estructura los cuales impiden la correcta circulacin de los electrones a travs del material. Epitaxia de grafeno: la mayor ventaja de esta tcnica es su compatibilidad con la tecnologa CMOS actual y su escalabilidad, lo cual permitira incorporar al grafeno en la industria de semiconductores. En esta se cuece una capa de carburo de silicio monocristalino sobre la cual se forma el grafeno. Deposicin qumica en fase de vapor: Esta es una de las alternativas ms econmicas y que produce grafeno con una calidad similar al que se produce por exfoliacin mecnica. Para ello se utiliza una capa delgada de algn metal en la cual por se graba un patrn de hendiduras mediante procesos de litografa y posteriormente en estas se colocan capas de grafeno mediante deposicin qumica. Cada una de estas tcnicas produce grafeno con propiedades conductivas y mecnicas superiores a las del silicio, sin embargo su produccin resulta costosa y tardada. Podemos comparar estas tcnicas de obtencin de grafeno con las usadas para procesar el silicio, una de las ms comunes es el micromaquinado de superficie en el cual se depositan delgadas capas de diferentes sustratos mediante deposicin qumica en fase de vapor a baja presin (LPCVD), algunas de dixido de silicio poli2</p> <p>Caracterstica que permite que una tcnica pueda generar un producto en cantidades grandes o pequeas dependiendo de la cantidad de materias primas que se tenga.</p> <p>Pgina |5</p> <p>cristalino o de arseniuro de galio para formar el circuito y otras de un vidrio de fosfosilicato como capas sacrificiales en inicio sirven como soporte para las capas superiores y posteriormente sern removidas mediante grabado de plasma (Bustillo et al, 1998). Los problemas con esta tcnica son las propiedades mecnicas del dixido de silicio mono y poli cristalino es muy frgil, adems la tensin residual provocada por el proceso de post coccin a 950 Celsius disminuye la velocidad de procesamiento de este. Un proceso novedoso propuesto por George Whitesides es la Litografa suave en la cual por mtodos convencionales de litografa o micromaquinado a granel, se grava un patrn sobre un sustrato, el cual sirve como negativo del circuito que se desea generar, posteriormente este se humedece en una tinta molecular del material con el que se desea generar el nuevo circuito, este material ha sido previamente preparado para adherirse al negativo mediante interacciones dbiles tales como la electrosttica o fuerzas de Van der Waals y posteriormente se coloca sobre el sustrato que servir como soporte para el circuito. La principal ventaja de esta tcnica es su bajo costo ya que puede crearse una plantilla la cual se usa para generar copias de un mismo circuito; por lo cual su aplicacin a la manufactura reducira los costos pues en lugar de grabar directamente el patrn sobre un cada placa de sustrato, estamos usando un sello para copiar el mismo patrn en un gran nmero de placas. Un buen reto sera encontrar la manera de aplicar esta tcnica al procesamiento del grafeno para generar chips con este material, sin embargo a pesar de lo ingenioso de esta tcnica, la escalabilidad an se ve limitada por un factor importante, la longitud de onda de la radiacin electromagntica, ya que las tcnicas de litografa generalmente estn basadas en el uso de medios pticos para la creacin de los patrones, es decir utilizacin de luz. La longitud de onda de la luz visible esta entre los 750 nm y los 400 nm, a longitudes de onda ms pequeas se encuentra la luz ultravioleta, y posteriormente</p> <p>Pgina |6</p> <p>los rayos X; y aunque podramos pensar que para reducir el tamao de los patrones generados en un sustrato bastara con disminuir la longitud de onda de la radiacin electromagntica, esta accin podra comprometer la integridad del sustrato, ya que a menor longitud de onda la energa de la radiacin es mayor la cual puede romper enlaces qumicos o incluso arrancar electrones de la estructura interna del tomo. C. Casiraghi, et al. Propusieron en octubre de 2011 un mtodo en el cual mediante un enlace andico3 unen una capa de vidrio borosilicato con oblea de silicio, produciendo as enlaces covalentes Si-O-Si los cuales pueden ser remplazados por capas de grafeno, este mtodo es usado para aplicaciones de electrodos transparentes en celdas fotovoltaicas y pantallas transparentes. Pienso que esta tcnica es ineficiente ya que en el mismo artculo es mencionada la baja eficiencia del mtodo, ya que el grafeno producido es apenas de 10 m y este tiene una gran cantidad de defectos que impiden el correcto transporte de electrones a travs de la estructura y es de mayor opacidad, propiedad que aunque lo hace eficiente para su caracterizacin en un tcnicas de microscopia, afecta su desempeo en pantallas transparentes y celdas solares, adems las obleas que se usaron no pueden ser reutilizadas ya que el vidrio de borosilicato pierde la suavidad de su estructura. Publicaciones previas han demostrado que la deposicin qumica en fase de vapor es una buena alternativa, sin embargo en esta an dependemos de un sustrato rgido sobre el cual llevar a cabo el crecimiento del grafeno, el cual se lleva a cabo a altas temperaturas disminuyendo la calidad del grafeno y en ocasiones conforma una estructura tridimensional en lugar de una bidimensional(Torres-silva, H. Lpez-Bonilla J.L.,2011), no conforme con eso el sustrato limita la cantidad de grafeno producido y posterior a este proceso es necesario traspasarlo del sustrato de origen a otro en el cual se pueda utilizar.</p> <p>3</p> <p>Tcnica que se usa para unir mediante enlaces qumicos 2 lminas de metal y silicio o cristal y silicio presionndolas una contra la otra y aplicando un potencial elctrico.</p> <p>Pgina |7</p> <p>Para resolver el problema de las altas temperaturas y el tamao, Stephan Hofmann, et al. Propusieron usar una aleacin de oro y nquel como catalizador4 para disminuir la temperatura de cocido a 450 Celsius lo cual produce una cubierta de una mono capa de grafeno para aproximadamente el 74% de la superficie del sustrato. En cuanto al problema para traspasar el grafeno a otro sustrato, en junio del 2010 Iijima Sumio et al presentaron una tcnica en la cual usaban deposicin qumica en fase de vapor para producir sobre un sustrato de flexible de cobre capas individuales de grafeno de hasta 30 pulgadas y posteriormente mediante rodillos el grafeno es transferido a un polmero que sirve de soporte para su aplicacin en electrodos transparentes, con los cuales se pudiesen construir pantallas flexibles y celdas solares ms eficientes.</p> <p>Figure 1 (Iijima Sumio, et al, 2010) Hay tres pasos esenciales en la transferencia de rollo a rollo (fig. 1): (i) adhesin del polmero de soporte al grafeno en el papel de cobre, (ii) remover las capas de cobre; y (iii) soltar las capas de grafeno y transferirlo al sustrato final. En el paso de la adhesin, la pelcula de grafeno, crecida en el papel de cobre, es unido a una delgada pelcula de polmero, la cual est recubierta con una capa adhesiva, hacindolos pasar entre 2 rodillos, en el paso siguiente, las capas de cobre son removidas mediante una reaccin electroqumica con una solucin acuosa 0.1 molar de persulfato de amonio (NH4)2S2O8. Finalmente las pelculas de grafeno son transferidas del polmero de soporte en el sustrato final, removiendo las fuerzas que4</p> <p>Sustancia que disminuye la energa y tiempo necesario para que se lleve a cabo una reaccin quimia sin alterar los productos.</p> <p>Pgina |8</p> <p>sostienen las pelculas de grafeno (Iijima Sumio, et al, 2010, la traduccin es ma) Segn J. M. tour et al, con quien estoy de acuerdo, an quedan mucho...</p>