Grafeno y láser: una nueva revolución en la ciencia de los materiales

Introducción: El grafeno es el material más ligero jamás producido. Su fuerza es 100 veces mayor que la del acero. Es mejor que la conductividad y la flexibilidad del cobre, y es en gran parte transparente.

A menudo, la cinta no se considera un avance científicamente revolucionario. Pero cuando el físico de la Universidad de Manchester Andre Geim y Konstantin Novoselov (los dos ganaron el Premio Nobel de Física en 2010) y sus colegas de la revista Science The publicaron los resultados de su investigación, el uso de cinta adhesiva para despegar una sola hoja atómica de átomos de carbono de una pieza de grafeno, un estudio que abrió lentamente el preludio de la revolución de la ciencia de los materiales.

En los 11 años transcurridos desde que el equipo de investigación de Manchester mencionado anteriormente publicó sus resultados de investigación, los resultados de investigación en campos relacionados han crecido exponencialmente. El año pasado, investigadores globales publicaron más de 15.000 resultados de investigación sobre el grafeno. Este fenómeno es bastante razonable: el grafeno es el material más ligero jamás producido, su resistencia es 100 veces mayor que la del acero, su conductividad y flexibilidad son mejores que el cobre y es en gran parte transparente. Los investigadores imaginaron todos los productos futuros basados en grafeno, desde chips de computadora de próxima generación y pantallas flexibles hasta baterías y celdas de combustible.

Sin embargo, es posible que el grafeno no logre su gran impacto en el futuro por sí solo como material ideal, sino más bien como un producto derivado de él. Aunque el grafeno tiene muchas ventajas deslumbrantes, también tiene desventajas, especialmente la incapacidad de actuar como semiconductor, la piedra angular de la microelectrónica. Ahora, los químicos y los científicos de materiales están trabajando duro para cruzar el grafeno y buscar otros materiales. Están sintetizando otros dos materiales laminares bidimensionales que combinan flexibilidad y transparencia con propiedades electrónicas que el grafeno no puede igualar, y han convertido algunos de ellos en dispositivos electrónicos y ópticos rápidos que son livianos y flexibles. Esperan que estos materiales puedan servir como columna vertebral de la industria del futuro.

Grafeno, abriendo un nuevo horizonte para los materiales 2D

En cierto sentido, los materiales 2D no son tecnologías completamente nuevas. Los investigadores han desarrollado materiales de película delgada en forma atómica utilizando máquinas de epitaxia de números moleculares (MBE) desde la década de 1960. Pero las máquinas MBE se utilizan a menudo para almacenar materiales como el silicio y el arseniuro de galio; las estructuras atómicas de estos materiales cristalinos tienden a formar estructuras tridimensionales. Desde esta perspectiva, la capa atómica fabricada por la máquina MBE es como un trozo de queso, una versión bidimensional de un material tridimensional.

El grafeno es diferente, es más como un papel en un libro, dijo Yi-HsienLee, profesor de ciencia de materiales en la Universidad Nacional Tsinghua en Hsinchu, Taiwán. Para sorpresa de los científicos, cuando estudiaron el grafeno a corta distancia, encontraron que no había características ópticas ni conductoras en el grafeno a granel. “La lección más importante es que el grafeno no es tan diferente”, dijo Zhang Yuanbo, físico de materia condensada de la Universidad Fudan en Shanghai, China. Sin embargo, dijeron los investigadores, "el grafeno trae los materiales bidimensionales al centro de atención".

Cuando se habla de equipos de alta tecnología, el aura del grafeno se desvaneció. La mayoría de los materiales que se cree que son valiosos en la era electrónica son semiconductores, y el grafeno se parece más a un conductor metálico. "El grafeno es de hecho un material invaluable", dice David Tomanek, físico de materia condensada de la Universidad Estatal de Michigan. "Pero no va bien con la industria de la electrónica".

Sin embargo, el grafeno abre los ojos a los científicos y les permite centrarse en el nuevo mundo de la electrónica plana. Vieron materiales similares al grafeno pero con nuevas características optoelectrónicas. Diseñaron una sola capa de silicio (silicona), una sola capa de germanio (deceno) y una sola capa de estaño (estaño); crearon nitruración. Un aislante hecho de boro, que tiene una estructura de celosía en forma de jaula como el grafeno; producen óxidos metálicos de monocapa de catalizador de alta eficiencia que se pueden utilizar para controlar reacciones químicas específicas; incluso encierran moléculas de agua en láminas bidimensionales, aunque el uso de esto aún no está claro.

Pero por ahora, la mayor parte del trabajo de investigación en torno a materiales planos se centra en dos materiales: uno se llama un compuesto llamado disulfuro de molibdeno (MoS2); el otro es un monocristal de fósforo negro bidimensional (o fósforo negro) una capa única de átomos de fósforo. Ambos materiales tienen atractivas propiedades electrónicas y la competencia entre sus investigadores es extremadamente intensa.

Disulfuro de molibdeno, material preferido para equipos ópticos

Entre los dos materiales, la investigación sobre el disulfuro de molibdeno es la primera en comenzar. El disulfuro de molibdeno se sintetizó en 2008 y es un miembro de la gran familia de materiales disulfuro de metales de transición (TMD). Este nombre aparentemente "elegante" representa su estructura: un átomo de metal de transición (es decir, un átomo de molibdeno) y un par de átomos de la decimosexta columna de la tabla periódica, que incluyen azufre y selenio. El elemento familiar es famoso).

Para sorpresa de los fabricantes de productos electrónicos, todos los TMD son semiconductores. Son casi idénticas a la delgadez del grafeno (en el disulfuro de molibdeno, dos capas de átomos de azufre intercalan una capa de átomos de molibdeno como un "sándwich"), pero tienen otras ventajas. Una de las ventajas con respecto al bisulfuro de molibdeno es la velocidad a la que viajan los electrones en escamas planas, es decir, la movilidad de los electrones. La movilidad electrónica del disulfuro de molibdeno es de aproximadamente 100 cm 2 / vs (es decir, 100 electrones por centímetro cuadrado por voltio segundo), que es mucho más baja que la movilidad electrónica del silicio cristalino de 1400 cm 2 / vs, pero más pequeña que el silicio amorfo. y otros semiconductores ultrafinos. La tasa de migración es mejor y los científicos están investigando estos materiales para futuros productos electrónicos, como pantallas flexibles y otros productos electrónicos flexibles.

Los estudios han demostrado que el disulfuro de molibdeno también es muy fácil de hacer, incluso para hacer grandes piezas de materiales bidimensionales. Esto permite a los ingenieros probar su rendimiento en electrónica a velocidades muy rápidas. Por ejemplo, en 2011, un equipo de investigación dirigido por AndrasKis del Instituto Federal Suizo de Tecnología publicó un artículo en Nature-Nanotechnology, diciendo que hicieron los primeros transistores con una sola capa de disulfuro de molibdeno de solo 0,65 nm de grosor. Resulta que esos productos y los productos posteriores tienen otras propiedades únicas que las contrapartes basadas en silicio más avanzadas tecnológicamente.

Además, el disulfuro de molibdeno tiene otras propiedades deseables, la banda prohibida directa, que permite que el material convierta electrones en fotones y viceversa. Esta característica también hace que el disulfuro de molibdeno sea un buen candidato para su uso en dispositivos ópticos como emisores de luz, láseres, fotodetectores e incluso células solares. Algunos científicos dicen que este material también es rico en reservas, de bajo precio y no tóxico, por lo que Yi-HsienLee cree: "El futuro es brillante".

Sin embargo, Tomanek cree que la tasa de transferencia de electrones del disulfuro de molibdeno aún no es lo suficientemente alta como para hacerlo competitivo en el concurrido mercado de la electrónica. La razón de esto son las características estructurales de este material. Cuando los electrones se mueven hacia adentro, explotarán en sus estructuras cuando se encuentren con un gran átomo de metal, reduciendo así la velocidad de migración.

Pero algunos científicos dicen que este obstáculo será transitorio. Los investigadores están tratando de sortear estos obstáculos, creando una capa ligeramente más gruesa de láminas de disulfuro de molibdeno que proporcionan un camino para que los electrones comprimidos eludan los obstáculos. "En ese momento, se resolverá el problema de la migración del disulfuro de molibdeno", dijo Yi-HsienLee.

Fósforo negro, el nuevo favorito de los materiales para equipos electrónicos

El competidor del disulfuro de molibdeno, un monocristal de fósforo negro bidimensional (también conocido como fósforo negro), parece entusiasmar más a los científicos. Un monocristal de fósforo negro bidimensional es una de las tres estructuras cristalinas diferentes (o alótropos) que pueden formarse con fósforo puro. Los otros dos materiales son fósforo blanco que se usa para hacer fuegos artificiales y fósforo rojo que se usa para hacer cabezas de fósforos.

El monocristal de fósforo negro bidimensional consta de átomos de fósforo ondulados ubicados en dos planos, que se sintetizaron el año pasado. Pero sus propiedades lo han convertido en el favorito de la ciencia de los materiales, con una tasa de transferencia de electrones de 600 cm2 / vs. Algunos investigadores esperan aumentar aún más esta tasa; al mismo tiempo, su brecha entre bandas (el voltaje eléctrico requerido para pasar la corriente a través de la sustancia) es sintonizable, es decir, el ingeniero electrónico puede ajustar la brecha de banda simplemente cambiando la pila del monocristal de fósforo negro bidimensional, lo cual es ventajoso para diseñar la banda prohibida deseada de acuerdo con requisitos específicos. "Todas estas propiedades hacen que los monocristales bidimensionales de fósforo negro sean un supermaterial", dijo Tomanek.

Los investigadores están avanzando en la comercialización de monocristales bidimensionales de fósforo negro a un ritmo extremadamente rápido. El 2 de marzo del año pasado, Zhang Yuanbo y otros colegas de la Universidad de Fudan publicaron un informe en línea en Nature-Nanotechnology, diciendo que produjeron un triodo de cristal basado en un monocristal de fósforo negro bidimensional, un producto en un circuito lógico de computadora. Juega un papel de "corazón". Dos semanas más tarde, Tomanek y sus colegas también publicaron un informe sobre el uso de transistores bidimensionales monocristalinos de fósforo negro en el Journal of the American Chemical Society's Nano.

Sin embargo, desafortunadamente, el monocristal de fósforo negro bidimensional es inestable en el aire. "Después de 24 horas, podemos ver las burbujas en la superficie del material, y luego todo el dispositivo fallará en unos pocos días", dijo Joon-SeokKim, un experto en monocristales de fósforo negro bidimensional de la Universidad de Texas en Austin. Los expertos dicen que el culpable es el vapor de agua, que reacciona con el fósforo para convertir el fósforo en ácido fosfórico y causar corrosión. Aún así, el equipo de investigación de Kim y otros investigadores todavía están tratando de resolver este problema. Por ejemplo, Kim dijo en un informe de la Sociedad Estadounidense de Física en marzo que él y sus colegas ya podían mantener transistores basados en monocristales bidimensionales de fósforo negro durante tres meses, encapsulándolos en alúmina y teflón en el compartimento.

Sin embargo, Yi-HsienLee cree que este método no garantiza la estabilidad a largo plazo del material. "Puede agregar una capa protectora al producto, pero esto solo ralentiza la velocidad de envejecimiento". Argumenta que la razón por la que algunos investigadores prefieren los monocristales de fósforo negro bidimensionales es porque este material es fácil de usar: al igual que el grafeno, es fácil despegar las escamas de fósforo negro con una cinta transparente. "Este es el mismo método", dice Yi-HsienLee. "Pero esto no significa que la perspectiva de monocristales bidimensionales de fósforo negro sea buena".

Al final, ambos materiales pueden tener mucho margen de desarrollo. "Recién estamos comenzando", dijo Luis Balicus, físico de la Universidad Estatal de Florida. Dijo que con el tiempo, los ingenieros utilizarán la fuerte interacción del disulfuro de molibdeno con la luz para fabricar células solares, emisores de luz y otros dispositivos ópticos; Al mismo tiempo, mejore la alta movilidad de electrones de los monocristales de fósforo negro bidimensionales y utilícelo para fabricar equipos electrónicos.

Grafeno y láser

1. Nuevo fotodetector de grafeno

Científicos españoles y estadounidenses han colaborado para desarrollar un convertidor fotodetector basado en grafeno que convierte la luz en señales eléctricas en menos de 50 femtosegundos (una mil millonésima de segundo). Cerca del límite de la velocidad de conversión fotoeléctrica, promoverá en gran medida el desarrollo de muchos campos.

Tecnología de conversión fotoeléctrica eficiente, ya que puede convertir la información transportada por la luz en una señal eléctrica que se puede procesar en circuitos electrónicos, juega un papel importante en muchos campos técnicos clave, desde la cámara hasta la celda solar, y también es un soporte importante para aplicaciones de comunicación de datos. . Aunque el grafeno es un material con una eficiencia de conversión fotoeléctrica extremadamente alta, los científicos no han sabido qué tan rápido reacciona a los pulsos ópticos ultracortos.

Ahora, el profesor Frank Koppons, investigador del Instituto Español de Fotónica, Nilke Van Hirst del Instituto de Estudios Avanzados de Cataluña, y Pablo Galliolo del Massachusetts Institute of Technology -Hero, y un equipo de investigación liderado por Liu Jinning, profesor de física en la Universidad de California, Riverside, desarrolló el convertidor fotodetector basado en grafeno que puede encenderse en menos de 50 femtosegundos, convertido en electricidad, llevando la velocidad de conversión fotoeléctrica al límite. La última investigación se ha publicado en la revista Nature Nanotechnology.

Para hacer esto, los investigadores utilizaron excitación de láser pulsado ultrarrápido y métodos de lectura electrónica de sensibilidad ultra alta. El investigador Kras-Jan Tell dijo: "La singularidad de este experimento es que la tecnología de formación de pulsos ultrarrápida obtenida de la fotónica ultrarrápida de una sola molécula se combina perfectamente con la tecnología electrónica de grafeno, además de que la reacción foto-termoeléctrica no lineal del grafeno permite a los científicos convertir luz en señales eléctricas en un período de tiempo tan corto ".

Los investigadores dicen que es posible crear rápidamente fotovoltajes en el grafeno debido a la correlación ultrarrápida y ultraeficiente entre todos los portadores de la banda de conducción en el grafeno. Esta correlación les permite crear rápidamente una distribución electrónica utilizando una temperatura de electrones en aumento. Como resultado, la energía absorbida de la luz se puede convertir rápida y eficientemente en calor de electrones. Posteriormente, en la unión de las dos regiones de grafeno con dos dopajes diferentes, el calor de los electrones se convierte en voltaje. Los resultados experimentales muestran que este efecto fototermográfico ocurre casi simultáneamente y la luz absorbida se puede convertir rápidamente en una señal eléctrica.

Los investigadores dicen que las últimas investigaciones abren un nuevo camino hacia la conversión fotoeléctrica ultrarrápida. Copps enfatizó: "Los fotodetectores de grafeno tienen un rendimiento asombroso y se pueden utilizar en muchos campos".

2. Se espera que los materiales de grafeno produzcan un nuevo láser de banda ancha

Se espera que el equipo de investigación internacional dirigido por el Centro de Investigación de Helsindorf (HZDR) en Helmholtz, Alemania, promueva el desarrollo de nuevos láseres de banda ancha en la dinámica de los electrones en el grafeno bajo la acción de fuertes campos magnéticos.

Los investigadores colocaron el grafeno en un campo magnético de 4 Tesla y, bajo la acción del campo magnético, obligaron a los electrones del material a formar un nivel de energía específico, que se llama nivel de Landau. Luego, los investigadores estudiaron estos niveles de energía con láseres de electrones libres. El Dr. Martin Mittendorff dijo: "El pulso láser excita los electrones y lo hace pasar a un nivel de Landau específico. Luego, con pulsos retardados en el tiempo para detectar cómo funciona el sistema". Los investigadores encontraron que el láser bombeaba algunos electrones nuevos al sistema. El nivel de Landau, y luego estos niveles de Landau fueron gradualmente vaciados de formas inesperadas. Creen que esto se debe a una colisión entre electrones.

El Dr. Stephan Winnerl hizo una analogía para explicar el proceso: "Imagine a una bibliotecaria que ordena un libro en un estante de tres pisos, coloca un libro a la vez y coloca el libro en el estante inferior del estante del medio. . Su hijo también la ayudó con ella, cada vez tomando dos libros del estante del medio, uno en el estante superior y otro en el estante inferior. Su hijo espera mucho que en el estante del medio se reduzca la cantidad de libros colocados, incluso si la partición del medio es el estante donde su madre quiere llenar el libro ". Winnerl dijo que los investigadores no querían que el efecto conocido como dispersión Auger fuera demasiado fuerte o se disipara en la electrónica del nivel de energía.

La colocación del grafeno en un campo magnético revela muchos efectos, y los electrones no se han estudiado antes en la cinética de este sistema. Los investigadores creen que el fenómeno que encontraron tiene el potencial de producir láseres, y que las longitudes de onda del láser resultantes se pueden sintonizar arbitrariamente en el rango de infrarrojos y terahercios.

Winnerl dijo: "Durante mucho tiempo, este láser de nivel Landau se consideró inalcanzable. Pero ahora, con el grafeno, es probable que el sueño de los físicos de semiconductores se convierta en realidad".

3. Grafeno o reemplazará a SESAM como material central del láser de fibra de femtosegundo

Los láseres de fibra de femtosegundos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen imágenes láser, espectroscopia holográfica y fotónica ultrarrápida, así como procesamiento láser, láser médico (como cirugía oftálmica) y radar láser. El dispositivo de núcleo láser de fibra de femtosegundos tradicional, espejo de absorción saturado de semiconductores (SESAM), se fabrica mediante un proceso de crecimiento de semiconductores, que es costoso y tiene el monopolio de la tecnología.

En el campo de los láseres de fibra de femtosegundos, el grafeno se considera el mejor material para reemplazar al SESAM. Los ganadores del Premio Nobel de Física 2010 predijeron que se espera que los láseres de fibra de femtosegundo de grafeno se industrialicen alrededor de 2018. Para lograr una industrialización real, es necesario resolver una serie de tecnologías clave como la preparación de grafeno de alta calidad, de gran tamaño. escala de transferencia de grafeno de bajo costo, interacción de grafeno y campo de luz, empaque de absorbente saturado de grafeno y control de estabilidad de potencia láser. Después de años de investigación continua, Taizhou Junna New Energy Co., Ltd. supera con éxito estas tecnologías clave y es la primera en realizar la comercialización de láseres de fibra de grafeno femtosegundo. Los principales indicadores de desempeño son más altos que los de productos similares, con alto desempeño en costos y fuerte desempeño en la competitividad del mercado.

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