Nanotecnología

Por Maximilian Kohl

Este artículo trata de un material electrónico de gran interés: el grafeno.

El descubrimiento experimental de este conjunto bidimensional de átomos de carbono en el año 2004 por Konstantin Novoselov y Andre Geim, no solo los ha rendido un Premio Nobel a estos dos jóvenes científicos, sino permite soñar al mundo científico con nuevas aplicaciones electrónicas en la escala más pequeña posible.

Para ver sus ventajas al nivel electrónico y pensar en posibles aplicaciones, primero estudiaremos su estructura. Los átomos de carbono se colocan en una capa bidimensional como en un panal de abejas [ver la ilustración]. Teóricamente, los materiales perfectamente bidimensionales son inestables, sin embargo, en el caso del grafeno sus átomos se ondulan ligeramente en 3D. Este efecto impide, junto con los fuertes enlaces covalentes entre los átomos, que el grafeno pierda su cristalinidad por efectos térmicos hasta unos 3000 °C.

Aparte de esta característica peculiar, ¿cuáles son sus ventajas al nivel electrónico? Si se estudia la distribución de energías del grafeno en el espacio recíproco se puede calcular (por ejemplo, con la aproximación de "enlace fuerte") la estructura de bandas. Las bandas de conducción y de valencia del grafeno se distinguen de otros semiconductores en un detalle importante: en los puntos del espacio recíproco que corresponden a los átomos en el espacio normal, las bandas se tocan de forma cónica, sin dejar un gap de energías prohibidas entre ellas. Un material con esta propiedad tiene la ventaja de permitir que cualquier cambio inducido externamente en la posición del nivel de Fermi, que se encuentra normalmente en el punto de intersección, produzca un cambio en la densidad y tipo (huecos o electrones) de sus portadores de corriente. Utilizando el efecto campo de forma similar a los transistores MOSFET se podría controlar con facilidad la posición del nivel de Fermi, aplicando un voltaje perpendicularmente a la capa de grafeno.

Además, los portadores introducidos en el grafeno se mueven con una rapidez muy grande. La movilidad teórica de 200000 cm²/V·s sólo es superada por gases bidimensionales de electrones. A día de hoy se pueden fabricar láminas de grafeno con movilidades de unos 10000 cm²/V·s, que es mucho mejor que la movilidad de, por ejemplo, el silicio.

Estas dos características parecen aún más interesantes cuando se estudian dos capas de grafeno (bilayer graphene) unidas por medio de fuerzas de Van der Waals, como en el grafito. En este conjunto el gap vuelve a ser nulo. Si esta vez se aplica un campo eléctrico perpendicular a la capa, se consigue modificar el valor del gap hasta unos 250 meV. Esto significa que podría controlarse el gap de este material de una manera muy sencilla (y ya utilizada en todo tipo de transistores), que permitiría construir múltiples dispositivos en un tamaño extraordinariamente reducido.

Se puede usar por ejemplo para la fabricación de células solares futuras. Como contacto transparente, el grafeno permite captar más luz que con contactos tipo metal-óxido. Con un rendimiento mayor, y sin enormes costes de fabricación, el grafeno tiene otra ventaja: su pequeño tamaño y la alta flexibilidad de sus propiedades físicas se pueden fabricar dispositivos que se capaces de adaptarse a la estructura deseada, una propiedad clave para futuras células solares.

Otra aplicación es el uso como detector de gases. Debido a su carácter fundamentalmente superficial, los átomos adsorbidos tienen una influencia muy grande sobre las propiedades eléctricas del grafeno. Midiendo los cambios su resistencia, se pueden obtener detectores extremadamente sensibles.

Por otro último, actualmente se están realizando estudios para usar el efecto de válvula de espín para fabricar dispositivos de memoria de pequeño tamaño. Poder manejar la corriente de espines de los electrones en el grafeno abriría la puerta a transistores y dispositivos lógicos que utilicen el mismo espacio de forma más eficiente que dispositivos actuales.

Con estas visiones en la cabeza los científicos tratan de solventar los últimos problemas para la fabricación de grafeno a gran escala. Con la rapidez del progreso de la tecnología de semiconductores, uno ya puede ver la importancia del grafeno en el horizonte.