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El grafeno deformado y sus propiedades electrónicas

Guadalupe Toalá
14/mar/2016

Teléfonos flexibles, televisiones tan delgadas como una hoja que se puedan enrollar y cargar, chips de computadora más pequeños, baterías que cargan más rápido, forman parte de la nueva tecnología que el estudio y desarrollo del grafeno podrían conseguir en un futuro no tan lejano.

Durante las últimas décadas la investigación de las propiedades y los diversos usos del grafeno ha sido realizada por diversos grupos alrededor del mundo, en México, Gerardo García Naumis, investigador del Instituto de Física de la UNAM se ha dedicado a esta labor.

En una charla, del 2 de febrero, explicó que “debido a que el grafeno presenta un largo intervalo de respuesta elástica que da como resultado un fuerte cambio en sus propiedades electrónicas, este material ofrece una nueva dirección para explorar en electrónica: ingeniería basada en la deformación”.

Al deformarlo, dijo, “es posible tener una brecha energética que es una característica que desde hace tiempo se estaba buscando”.

“Touch screen” basada en grafeno. Imagen: Tomada de la presentación de G. García Naumis.

Las propiedades que tiene el grafeno se deben a su estructura. El carbono tiene diferentes estructuras moleculares, lo cual se le conoce como alotropía. En el caso del carbono podemos encontrar el diamante y el grafito, entre otros, y el grafeno es una monocapa de esta última alotropía. Las diversas estructuras que forman las moléculas están determinadas por la forma en cómo los electrones de cada átomo se acomodan para formar enlaces entre ellos.

Además de las múltiples propiedades que tiene el grafeno entre las que se encuentran: su resistencia, flexibilidad, transparencia, ligereza, y capacidad de autoreparación, es también un excelente conductor eléctrico.

Esta última característica lo hace ideal para contactos muy pequeños en circuitos eléctricos, pero idealmente también podría funcionar para hacer los componentes de los circuitos y, en particular, para hacer transistores.

Para esto, el grafeno necesita tener un comportamiento no de conductor sino de semiconductor. La clave es que pueda tener la operación de prendido-apagado que se necesita para desarrollar las componentes electrónicas.

Los semiconductores están definidos por su brecha energética, que es la diferencia de energía entre la parte superior de la banda de valencia y la parte inferior de la banda de conducción, para que haya conducción los electrones que tienen suficiente energía saltan la brecha de energía y por tanto se mueven de la banda de la valencia a la banda de conducción.

El grafeno regular no tiene esta brecha energética y para producir esta característica, “se han hecho simulaciones y cálculos numéricos sobre el comportamiento electrónico del grafeno cuando se le aplica una tensión, es decir, cuando la malla de grafeno es sometida a una fuerza que la deforma".

Sin embargo estudiar este problema directamente con las posiciones de los átomos de carbono de la malla resulta insuficiente. "Por tanto, para obtener más información también se estudia el sistema por medio del momento y la energía de una celda unitaria de la malla”, comentó el investigador.

Entonces cuando no hay deformación, la banda de valencia y la de conducción se encuentran pegadas en unos puntos que se les conoce como puntos de Dirac. Los puntos de Dirac son seis puntos localizados en la representación de momentos de una celda unitaria, los cuales tienen la mínima energía.

A pesar que el grafeno presenta una alta respuesta no lineal ante las deformaciones, cuando se ‘estira’ uniformemente, se puede tener la transición de un conductor (como lo es originalmente el grafeno) a un semiconductor (es decir, se observa una brecha energética en el espectro de energías).

“Entender las deformaciones mecánicas ayudaría a controlar el transporte eléctrico en dispositivos basados en grafeno y permitiría poder explicar también algunos resultados experimentales”, concluyó Naumis.

García Naumis en el seminario. Imagen: Guadalupe Toalá.