Una nueva técnica inventada en Caltech para producir grafeno —un material compuesto por una capa de carbono de un átomo de espesor— a temperatura ambiente podría allanar el camino para fabricar comercialmente células solares y diodos emisores de luz basados en grafeno, pantallas de gran formato y dispositivos electrónicos flexibles.
«Con esta nueva técnica, podemos cultivar grandes láminas de grafeno de calidad electrónica en mucho menos tiempo y a temperaturas mucho más bajas», afirma David Boyd, científico del personal de Caltech, quien desarrolló el método.
Boyd es el primer autor de un nuevo estudio, publicado en el número del 18 de marzo de la revista Nature Communications, en el que se detalla el nuevo proceso de fabricación y las novedosas propiedades del grafeno que produce.
El grafeno podría revolucionar diversos campos científicos y de la ingeniería gracias a sus propiedades únicas, entre ellas una resistencia a la tracción 200 veces mayor que la del acero y una movilidad eléctrica entre dos y tres órdenes de magnitud superior a la del silicio. La movilidad eléctrica de un material mide la facilidad con que los electrones pueden desplazarse por su superficie.
Sin embargo, lograr estas propiedades a una escala de relevancia industrial ha resultado complicado. Las técnicas existentes requieren temperaturas demasiado altas —1.800 grados Fahrenheit, o 1.000 grados Celsius— para integrar la fabricación de grafeno con la producción electrónica actual. Además, el crecimiento del grafeno a altas temperaturas tiende a inducir en el material grandes deformaciones —distorsiones— distribuidas de forma incontrolable, lo que compromete gravemente sus propiedades intrínsecas.
«Antes, solo se podían cultivar unos pocos milímetros cuadrados de grafeno de alta movilidad cada vez, y se necesitaban temperaturas muy elevadas, largos periodos y muchos pasos», afirma la profesora de Física de Caltech Nai-Chang Yeh, codirectora del Kavli Nanoscience Institute por la Fletcher Jones Foundation y autora de correspondencia del nuevo estudio. «Nuestro nuevo método puede producir de forma constante grafeno de alta movilidad y prácticamente sin deformaciones en un solo paso, en apenas unos minutos y sin altas temperaturas. Hemos creado muestras de unos pocos centímetros cuadrados y, como creemos que nuestro método es escalable, consideramos que podemos cultivar láminas de hasta varias pulgadas cuadradas o incluso mayores, allanando el camino para aplicaciones realistas a gran escala».
Es posible que el nuevo proceso de fabricación no se hubiera descubierto de no ser por un giro afortunado de los acontecimientos. En 2012, Boyd, que entonces trabajaba en el laboratorio del fallecido David Goodwin, por entonces profesor de ingeniería mecánica y física aplicada de Caltech, intentaba reproducir un proceso de fabricación de grafeno sobre el que había leído en una revista científica. En ese proceso, se utiliza cobre calentado para catalizar el crecimiento del grafeno. «Estaba haciendo pruebas durante mi hora de almuerzo», cuenta Boyd, quien ahora trabaja con el grupo de investigación de Yeh. «Pero la receta no funcionaba. Parecía un proceso muy sencillo. Incluso tenía mejores equipos que los utilizados en el experimento original, así que debería haberme resultado más fácil».
Durante uno de sus intentos de reproducir el experimento, sonó el teléfono. Mientras Boyd atendía la llamada, dejó sin querer que una lámina de cobre se calentara durante más tiempo de lo habitual antes de exponerla a vapor de metano, que aporta los átomos de carbono necesarios para el crecimiento del grafeno.
Cuando Boyd examinó después la placa de cobre mediante espectroscopia Raman, una técnica utilizada para detectar e identificar el grafeno, vio indicios de que efectivamente se había formado una capa de grafeno. «Fue un momento de “¡ajá!”», dice Boyd. «Entonces me di cuenta de que el truco para el crecimiento era tener una superficie muy limpia, sin óxido de cobre».
Según recuerda Boyd, entonces recordó que Robert Millikan, físico galardonado con el Premio Nobel y director de Caltech entre 1921 y 1945, también tuvo que lidiar con la eliminación del óxido de cobre cuando realizó su famoso experimento de 1916 para medir la constante de Planck, importante para calcular la cantidad de energía de una sola partícula de luz, o fotón, Boyd se preguntó si, al igual que Millikan, podría idear un método para limpiar el cobre en condiciones de vacío.
Esquema del proceso de crecimiento del grafeno de Caltech.
(Cortesía de Nature Communications)
La solución que se le ocurrió a Boyd fue utilizar un sistema desarrollado originalmente en la década de 1960 para generar un plasma de hidrógeno —es decir, gas hidrógeno electrificado para separar los electrones de los protones— y eliminar el óxido de cobre a temperaturas mucho más bajas. Sus experimentos iniciales revelaron no solo que la técnica servía para eliminar el óxido de cobre, sino también que producía grafeno al mismo tiempo.
Al principio, Boyd no lograba entender por qué la técnica funcionaba tan bien. Más tarde descubrió que dos válvulas con fugas dejaban entrar cantidades mínimas de metano en la cámara experimental. «Las válvulas dejaban entrar justo la cantidad de metano necesaria para que creciera el grafeno», afirma.
La posibilidad de producir grafeno sin necesidad de calentamiento activo no solo reduce los costos de fabricación, sino que también da como resultado un producto mejor, porque se generan menos defectos —introducidos como consecuencia de los procesos de expansión y contracción térmicas—. Esto, a su vez, elimina la necesidad de múltiples etapas posteriores a la producción. «Normalmente, se necesitan unas diez horas y entre nueve y diez pasos distintos para fabricar un lote de grafeno de alta movilidad mediante métodos de crecimiento a alta temperatura», afirma Yeh. «Nuestro proceso consta de un solo paso y dura cinco minutos».
Más adelante, el trabajo del grupo de Yeh y de colaboradores internacionales reveló que el grafeno fabricado con la nueva técnica es de mayor calidad que el producido con métodos convencionales: es más resistente porque contiene menos defectos que podrían debilitar su resistencia mecánica, y presenta la mayor movilidad eléctrica medida hasta ahora en grafeno sintético.
Imágenes de las primeras etapas del crecimiento del grafeno sobre cobre. Las líneas de hexágonos son núcleos de grafeno, con un aumento creciente de izquierda a derecha; las barras de escala corresponden, de izquierda a derecha, a 10 μm, 1 μm y 200 nm, respectivamente. Los hexágonos crecen hasta unirse en una lámina continua de grafeno. (Cortesía de Nature Communications)
El equipo cree que una de las razones de la eficiencia de su técnica es que una reacción química entre el plasma de hidrógeno y las moléculas de aire de la atmósfera de la cámara genera radicales de ciano —moléculas de carbono y nitrógeno a las que se les han quitado los electrones—. Como diminutos limpiadores superpotentes, estas moléculas cargadas eliminan eficazmente las imperfecciones de la superficie del cobre y proporcionan una superficie prístina sobre la que cultivar grafeno.
Los científicos también descubrieron que su grafeno crece de una manera especial. El grafeno producido mediante procesos térmicos convencionales crece a partir de un mosaico aleatorio de depósitos. En cambio, el crecimiento del grafeno con la técnica de plasma es más ordenado. Los depósitos de grafeno forman líneas que luego crecen hasta convertirse en una lámina continua, lo que contribuye a su integridad mecánica y eléctrica.
Una versión ampliada de su técnica de plasma podría abrir la puerta a nuevos tipos de fabricación electrónica, afirma Yeh. Por ejemplo, las láminas de grafeno con bajas concentraciones de defectos podrían utilizarse para proteger materiales de la degradación causada por la exposición al entorno. Otra posibilidad sería cultivar grandes láminas de grafeno que puedan utilizarse como electrodos conductores transparentes en células solares y paneles de visualización. «En el futuro, podríamos tener pantallas de teléfonos móviles basadas en grafeno que generen su propia energía», afirma Yeh.
Imágenes de microscopía de efecto túnel con resolución atómica del grafeno cultivado sobre un monocristal de cobre (111), con un aumento creciente de izquierda a derecha. (Cortesía de Nature Communications)
Otra posibilidad, dice ella, es introducir imperfecciones de forma intencional en la estructura reticular del grafeno para crear atributos mecánicos y electrónicos específicos. «Si se puede deformar el grafeno de forma deliberada a escala nanométrica, es posible diseñar artificialmente sus propiedades. Pero para que esto funcione, hay que partir de una lámina de grafeno perfectamente lisa y sin deformaciones», afirma Yeh. «No se puede hacer esto si se tiene una lámina de grafeno con defectos incontrolables en distintos lugares».
Además de Yeh y Boyd, entre los autores del artículo «Deposición de grafeno de alta movilidad en un solo paso a temperaturas reducidas» figuran los estudiantes de posgrado de Caltech Wei Hsiang Lin, Chen Chih Hsu y Chien-Chang Chen; el científico del personal de Caltech Marcus Teague; Yuan-Yen Lo, Tsung-Chih Cheng y Chih-I Wu, de la National Taiwan University; y Wen-Yuan Chan, Wei-Bing Su y Chia-Seng Chang, del Institute of Physics de Academia Sinica. La financiación del estudio realizado en Caltech fue proporcionada por la National Science Foundation, en el marco del Institute of Quantum Information and Matter, y por la Gordon and Betty Moore Foundation y la Kavli Foundation a través del Kavli Nanoscience Institute. El trabajo realizado en Taiwán recibió el apoyo del National Science Council taiwanés.
«Con esta nueva técnica, podemos cultivar grandes láminas de grafeno de calidad electrónica en mucho menos tiempo y a temperaturas mucho más bajas», afirma David Boyd, científico del personal de Caltech, quien desarrolló el método.
Boyd es el primer autor de un nuevo estudio, publicado en el número del 18 de marzo de la revista Nature Communications, en el que se detalla el nuevo proceso de fabricación y las novedosas propiedades del grafeno que produce.
El grafeno podría revolucionar diversos campos científicos y de la ingeniería gracias a sus propiedades únicas, entre ellas una resistencia a la tracción 200 veces mayor que la del acero y una movilidad eléctrica entre dos y tres órdenes de magnitud superior a la del silicio. Sin embargo, lograr estas propiedades a una escala de relevancia industrial ha resultado complicado. Las técnicas existentes requieren temperaturas demasiado altas —1.800 grados Fahrenheit, o 1.000 grados Celsius— para integrar la fabricación de grafeno con la producción electrónica actual.
«Antes, solo se podían cultivar unos pocos milímetros cuadrados de grafeno de alta movilidad cada vez, y se necesitaban temperaturas muy elevadas, largos periodos y muchos pasos», afirma la profesora de Física de Caltech Nai-Chang Yeh, codirectora del Kavli Nanoscience Institute por la Fletcher Jones Foundation y autora de correspondencia del nuevo estudio. «Nuestro nuevo método puede producir de forma constante grafeno de alta movilidad y prácticamente sin deformaciones en un solo paso, en apenas unos minutos y sin altas temperaturas. Hemos creado muestras de unos pocos centímetros cuadrados y, dado que nuestro método es escalable, creemos que podemos cultivar láminas de hasta varias pulgadas cuadradas o incluso mayores, allanando el camino para aplicaciones realistas a gran escala».
Es posible que el nuevo proceso de fabricación no se hubiera descubierto de no ser por un giro afortunado de los acontecimientos. En 2012, Boyd, que entonces trabajaba en el laboratorio del fallecido David Goodwin, por entonces profesor de ingeniería mecánica y física aplicada de Caltech, intentaba reproducir un proceso de fabricación de grafeno sobre el que había leído en una revista científica. En ese proceso, se utiliza cobre calentado para catalizar el crecimiento del grafeno. «Estaba haciendo pruebas durante mi hora de almuerzo», cuenta Boyd, quien ahora trabaja con el grupo de investigación de Yeh. «Pero la receta no funcionaba. Parecía un proceso muy sencillo. Incluso tenía mejores equipos que los utilizados en el experimento original, así que debería haberme resultado más fácil».
Durante uno de sus intentos de reproducir el experimento, sonó el teléfono. Mientras Boyd atendía la llamada, dejó sin querer que una lámina de cobre se calentara durante más tiempo de lo habitual antes de exponerla a vapor de metano, que aporta los átomos de carbono necesarios para el crecimiento del grafeno.
Cuando Boyd examinó después la placa de cobre mediante espectroscopia Raman, la técnica de referencia para detectar e identificar el grafeno, vio indicios de que efectivamente se había formado una capa de grafeno. «Fue un momento de “¡ajá!”», dice Boyd. «Entonces me di cuenta de que el truco para el crecimiento era tener una superficie muy limpia, sin el óxido de cobre natural».
Según recuerda Boyd, entonces recordó que Robert Millikan, físico galardonado con el Premio Nobel y director de Caltech entre 1921 y 1945, también tuvo que lidiar con la eliminación del óxido de cobre cuando realizó su famoso experimento de 1916 para medir la constante de Planck, importante para calcular la cantidad de energía de una sola partícula de luz, o fotón, Boyd se preguntó si, al igual que Millikan, podría idear un método para limpiar el cobre en condiciones de vacío.
La solución que se le ocurrió a Boyd fue utilizar un sistema desarrollado originalmente en la década de 1960 para generar un plasma de hidrógeno —es decir, gas hidrógeno electrificado para separar los electrones de los protones— y eliminar el óxido de cobre a temperaturas mucho más bajas. Sus experimentos iniciales revelaron no solo que la técnica servía para eliminar el óxido de cobre, sino también que producía grafeno al mismo tiempo.
Al principio, Boyd no lograba entender por qué la técnica funcionaba tan bien. Más tarde descubrió que dos válvulas con fugas dejaban entrar cantidades mínimas de metano en la cámara experimental. «Las válvulas dejaban entrar justo la cantidad de metano necesaria para que creciera el grafeno», afirma.
La posibilidad de producir grafeno a temperaturas mucho más bajas no solo reduce los costos de fabricación, sino que también da como resultado un producto mejor, porque se generan menos defectos —introducidos como consecuencia de los procesos de expansión y contracción térmicas—. Esto, a su vez, elimina la necesidad de múltiples etapas posteriores a la producción. «Normalmente, se necesitan unas diez horas y entre nueve y diez pasos distintos para fabricar un lote de grafeno de alta movilidad mediante métodos de crecimiento a alta temperatura», afirma Yeh. «Nuestro proceso consta de un solo paso y dura cinco minutos».
Más adelante, el trabajo del grupo de Yeh y de colaboradores internacionales reveló que el grafeno fabricado con la nueva técnica es de mucha mayor calidad que el producido con métodos convencionales. Es más resistente porque contiene menos defectos que podrían debilitar su resistencia mecánica, y presenta la mayor movilidad eléctrica medida hasta ahora en grafeno sintético. La movilidad eléctrica de un material mide la facilidad con que los electrones pueden desplazarse por su superficie.
El equipo cree que una de las razones de la eficiencia de su técnica es que una reacción química entre el plasma de hidrógeno y las moléculas de aire de la atmósfera de la cámara genera radicales de ciano —moléculas de carbono y nitrógeno a las que se les han quitado los electrones—. Como diminutos limpiadores superpotentes, estas moléculas cargadas eliminan eficazmente las imperfecciones de la superficie del cobre y proporcionan una superficie prístina sobre la que cultivar grafeno.
Los científicos también descubrieron que su grafeno crece de una manera especial. El grafeno producido mediante procesos térmicos convencionales crece a partir de un mosaico aleatorio de depósitos. En cambio, el crecimiento del grafeno con la técnica de plasma es más ordenado. Los depósitos de grafeno forman líneas que luego crecen hasta convertirse en una lámina continua, lo que contribuye a su integridad mecánica y eléctrica.
Si su técnica de plasma puede ampliarse con éxito, podría abrir la puerta a nuevos tipos de fabricación electrónica, afirma Yeh. Las láminas de grafeno sin defectos podrían utilizarse como armadura para proteger materiales de la degradación por el impacto ambiental. Otra posibilidad sería cultivar grandes láminas de grafeno que puedan utilizarse como electrodos conductores transparentes en células solares y paneles de visualización. «Sería como un recubrimiento que simplemente se aplica», afirma Yeh. «En el futuro, podríamos tener pantallas de teléfonos móviles basadas en grafeno que generen su propia energía».
Otra posibilidad, dice ella, es introducir intencionalmente imperfecciones en la estructura reticular del grafeno para crear atributos mecánicos y electrónicos específicos. «Si se puede deformar correctamente el grafeno a escala nanométrica, es posible diseñar artificialmente sus propiedades. Pero para que esto funcione, hay que partir de una lámina de grafeno perfectamente lisa y sin deformaciones», afirma Yeh. «No se puede hacer esto si se tiene una lámina de grafeno con defectos incontrolables en distintos lugares».
Además de Yeh y Boyd, entre los autores del artículo «Deposición de grafeno de alta movilidad en un solo paso a temperaturas reducidas» figuran los estudiantes de posgrado de Caltech Wei Hsiang Lin, Chen Chih Hsu y Chien-Chang Chen; el científico del personal de Caltech Marcus Teague; Yuan-Yen Lo, Tsung-Chih Cheng y Chih-I Wu, de la National Taiwan University; y Wen-Yuan Chan, Wei-Bing Su y Chia-Seng Chang, del Institute of Physics de Academia Sinica. La financiación del estudio realizado en Caltech fue proporcionada por la National Science Foundation, en el marco del Institute of Quantum Information and Matter, y por la Gordon and Betty Moore Foundation y la Kavli Foundation a través del Kavli Nanoscience Institute. El trabajo en Taiwán recibió el apoyo del National Science Council.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el World Economic Forum respalde las opiniones expresadas.
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Autor: Ker Than es colaborador de Caltech.
Imagen: Un tecnólogo sostiene un disco de carburo de silicio cubierto con una capa de grafeno. REUTERS/Kacper Pempel.
