Materiales de grafeno: Opto Electrónica y Aplicaciones

El grafeno es una (2D) de material bidimensional con propiedades excepcionales, como la conductividad eléctrica y térmica ultra altas, transmitancia óptica de largo alcance y una excelente resistencia mecánica y flexibilidad. Estas propiedades hacen que sea un material prometedor para nuevas y existentes aplicaciones en circuitos impresos y flexible, transistores ultrarrápidos, pantallas táctiles, baterías y supercondensadores avanzadas, láseres ultrarrápidos, fotodetectores y muchas otras aplicaciones que no sean electrónicas.

Aunque la tecnología de grafeno se encuentra todavía en su infancia, se han hecho notables progresos en los últimos años en el desarrollo de métodos de producción de grafeno. Numerosos dispositivos optoelectrónicos y electrónicos basados ​​en el grafeno se han demostrado en modelos a escala de laboratorio. Sin embargo, los numerosos desafíos de la tecnología de grafeno no deben ser subestimados. La falta de banda prohibida en el grafeno es su reto fundamental clave. Otros desafíos tecnológicos están relacionados con el desarrollo de métodos industriales para producir grafeno con calidad alta y constante a costos aceptables.

Aunque hoy en día no hay ninguna solicitud electrónica basada en el grafeno en la producción en masa, varias empresas ya ofrecen materiales comercialmente grafeno. El valor de mercado de materiales de grafeno en 2013 fue de aproximadamente $ 11 millones, representado principalmente por la demanda de la I + D y la creación de prototipos. Dos escenarios para el futuro crecimiento del mercado se presentan en el informe. De acuerdo con el escenario base, el valor de mercado anual mundial de materias de grafeno en aplicaciones opto electrónicos y llegará a $ 141 millones en 2024, con un CAGR 2013-2019 del 18,5%. Se espera que el crecimiento del mercado se aceleró después de 2019, con un CAGR 2019-2024 del 35,7%. En 2024, el mercado de materiales de grafeno estará representada principalmente por la demanda de electrodos conductores transparentes y baterías avanzadas y supercondensadores.

¿Cómo pueden los retos grafeno Tecnología y la eventual aplicación transformarse en oportunidades de negocio?

Con el fin de alcanzar el mejor rendimiento posible en los dispositivos a escala de laboratorio, se requieren materiales de alta calidad. Los proveedores de materiales capaces de entregar constantemente materiales de alta calidad tienen una ventaja competitiva en el mercado de grafeno.

El interés creciente en tecnologías de grafeno ha llevado a una alta demanda de equipos de grafeno. Como se muestra en el informe, los fabricantes de equipos CVD hoy se centran principalmente en el equipo de I + D se utiliza para producir grafeno de alta calidad.

Los fabricantes de dispositivos líderes están actualmente evaluando el potencial de la tecnología de grafeno; la mayoría de ellos tienen actividades internas de I + D o están desarrollando asociaciones de I + D con los proveedores de materiales de grafeno. Pero la cadena de suministro de grafeno de hoy es muy dispersa y hace que la elección del proveedor adecuado difícil. Un gran (y creciente) número de empresas de nueva creación están buscando para atrapar las oportunidades de mercado de grafeno en su etapa inicial. Asegurar IP grafeno es crucial para una fuerte posición competitiva. Como se detalla en el informe, se espera que los fuertes tendencias de integración vertical dentro de la cadena de suministro, debido a los problemas específicos de la producción y el manejo de los materiales de grafeno, hojas de grafeno es decir, hechas-CVD. Los fabricantes de nanoplatelets grafeno también integrarán verticalmente para obtener un producto de mayor valor y mejor diferenciación de los competidores al ofrecer materiales específicos de la aplicación, tales como tintas conductoras y materiales compuestos para baterías y supercondensadores de grafeno.

Como se señala en el informe, existen muchos diferentes tipos de materiales de grafeno y niveles de calidad. Un mayor nivel de estandarización tanto, es importante en la tecnología de grafeno, especialmente para los proveedores de materiales de grafeno de alta calidad para una mejor diferenciación de otros proveedores, y para las empresas con una estrategia de negocio a largo plazo. La falta de herramientas de caracterización de la calidad adecuados grafeno ofrece oportunidades para las empresas en desarrollo de herramientas especializadas.

Materiales de grafeno: calidad, cantidad, reproducibilidad y Low Cost Necesarios

El desarrollo y la producción industrial de las nuevas aplicaciones de grafeno requieren un suministro fiable de grafeno con una alta calidad constante.

Materiales de grafeno pueden ser producidos en forma de pequeñas escamas (nanoplatelets) o en la forma de una hoja de gran tamaño en diferentes sustratos, tales como una lámina de metal o carburo de silicio (SiC).

La deposición catalítica vapor químico (CVD) de grafeno sobre metales, con el alto potencial tanto para la escalabilidad y la alta calidad de los materiales, tiene el mayor potencial para la producción en masa de opto grafeno y dispositivos electrónicos. Aunque el potencial de mercado de grafeno epitaxial de alta calidad sobre SiC está limitado por las dimensiones y altos costos de obleas de SiC, que se puede aplicar con éxito para producir algunas aplicaciones electrónicas de alta gama. Los nanoplatelets producidos por diferentes métodos, como la epitaxia en fase líquida o reducción del óxido de grafeno pueden ser utilizadas para producir tintas conductivas para la electrónica impresa y materiales aditivos para los dispositivos de almacenamiento de energía, tales como baterías de ion-litio y supercondensadores.

La elección de la técnica de producción de grafeno es de crucial importancia para un fabricante de dispositivos ya que influye no sólo el grafeno tamaño, calidad y costes, sino también el diseño de la línea de producción para la fabricación de dispositivos.

Bonding Efecto de grafeno sobre Platinum nanopartículas

Los físicos han descubierto que las nanopartículas de platino limitan su tamaño y se organizan en patrones específicos cuando se une a la independiente grafeno.

Mientras se muestra este comportamiento, las nanopartículas de platino unidos mantienen una superficie efectiva de funcionar como catalizador de reacciones químicas, un descubrimiento que podría reducir los costos de producción de las células de combustible de platino catalizada.

Un equipo internacional de científicos, liderado por un grupo de investigación de la Universidad de Arkansas, publicó sus hallazgos en la revista ACS Nano , en un documento titulado, "auto-organizados Platinum nanopartículas sobre independiente grafeno."

El estudio fue dirigido por Peng Xu, investigador asociado en el departamento de la física en el J. William Fulbright, Universidad de Artes y Ciencias en la Universidad de Arkansas.

Pilas de combustible catalizada por platino se utilizan para edificios de energía como sustitutos de los motores de combustión interna en vehículos.

"Debido a que el platino es un metal raro, una gran parte del gasto que se dedica a la fabricación de vehículos híbridos está viniendo del platino necesaria para catalizar las pilas de combustible", dijo Paul Thibado, profesor de física en la Universidad de Arkansas.

"Platinum, cuando se coloca sobre superficies sólidas, se difunde para formar partículas aleatorias que crecen sin control, y que limita su capacidad de reacción", dijo. "Por otro lado, autoportante grafeno tiene una superficie muy flexible, y se encontró que, debido a los efectos de deformación local, existe una reducción del 80 por ciento en la cantidad de platino sea necesario para mantener la catálisis eficaz."

La investigación también muestra, por primera vez, que una, de un solo cristal de platino de nanopartículas funcionalmente superior emerge de su aplicación a grafeno.

"Lo que encontramos fue muy emocionante", dijo Thibado. "Es realmente muy especial."

El grafeno, una de los materiales más resistentes, más ligeros y conductores conocidos, es una hoja de un solo átomo de espesor de átomos de carbono. Los electrones se mueven a través de grafito tienen masa y resistencia encuentro, pero los electrones se mueven a través de grafeno tienen masa y por lo tanto se encuentran con mucha menos resistencia. Esto hace que el grafeno un material candidato excelente para las necesidades futuras de energía, así como en la computación cuántica para enormes cálculos con poco consumo de energía.

El grafeno fue descubierto en 2004, y queda mucho por conocer acerca de sus propiedades. El grupo de Thibado utiliza imágenes a escala atómica y la manipulación para avanzar en las aplicaciones tanto de grafeno prístino y químicamente funcionalizado, mediante el desarrollo de una comprensión detallada de sus propiedades electrónicas y mecánicas fundamentales.

El reciente estudio, que se produce principalmente a través de una asociación de investigación entre la Universidad de Arkansas, la Universidad Estatal de Missouri y la Universidad de Amberes, en Bélgica, consistió en la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución en combinación con la microscopía de efecto túnel y el estado-of-the-art dinámica molecular computacional. Es una combinación rara vez se ve en la física, dijo Thibado, experto en física experimental de la materia condensada.

Microscopía de efecto túnel, que produce imágenes de los átomos individuales en una superficie, se utiliza para ver el comportamiento de las nanopartículas de platino sobre el grafeno. Los investigadores en Missouri utilizaron microscopia electrónica de transmisión, una técnica en la que un haz de  electrones  se transmite a través de un material ultra-delgada, para confirmar las propiedades cristalinas.

La fusión de ambas técnicas experimentales con modelos teóricos arrojó un resultado inesperado para los investigadores: la unión del grafeno para las nanopartículas de platino era inusual, según Thibado.

"Debido a que es tan fuerte y flexible, el grafeno normalmente se envuelve alrededor del material que es la vinculación con el", dijo Thibado. "En este caso, la unión con el platino era completamente diferente, más como una pirámide."

Los resultados se obtuvieron a través de un esfuerzo de colaboración con la Universidad de Arkansas de la física a los estudiantes de posgrado Matthew L. Ackerman, Steven D. Barber, Dejun Qi y James Kevin Schoelz, Lifeng Dong de la Universidad Estatal de Missouri, Francois Peeters y Mehdi Neek-Amal de la Universidad de Amberes y Fangfang Xu en la Universidad de Shanghai, en China.

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System-grafeno basado Ferroelectric Mejora Info Procesamiento

Esquema de una nanoestructura ferroeléctrico-grafeno ferroeléctrico.Diferentes ámbitos de ferroeléctricos pueden definir patrones de guía de onda densas en el grafeno. Plasmones terahercios en longitud de onda ultracorta pueden fluir en estas guías de onda. Gráfico cortesía de Qing Hu

Los investigadores del MIT han propuesto un nuevo sistema que combina los materiales ferroeléctricos, el tipo de uso frecuente para el almacenamiento de datos, con el grafeno, una forma bidimensional de carbono conocida por sus propiedades electrónicas y mecánicas excepcionales. La tecnología híbrida resultante podría llevar a chips informáticos y de almacenamiento de datos a acumular más y más componentes en un área determinada y son más rápidos. El nuevo sistema funciona mediante el control de las ondas llamadas plasmones superficiales. Estas ondas son oscilaciones de electrones confinados en las interfaces entre los materiales, en el nuevo sistema de las olas operan a frecuencias de terahercios. Estas frecuencias se encuentran entre las de la luz de infrarrojo lejano y las transmisiones de radio de microondas, y se consideran ideales para los dispositivos informáticos de última generación. Los resultados fueron publicados en un artículo en Applied Physics Letters por el profesor asociado de ingeniería mecánica Nicholas Fang, postdoc Dafei Jin y otros tres. El sistema proporcionaría una nueva forma de construir dispositivos interconectados que utilizan ondas de luz, como los cables de fibra óptica y chips fotónicos, con cables y aparatos electrónicos. Actualmente, dichos puntos de interconexión forman a menudo un cuello de botella que retarda la transferencia de datos y añade al número de componentes necesarios. nuevo sistema del equipo permite que las ondas que se concentran a escalas de longitud mucho más pequeñas, lo que podría conducir a un aumento de diez veces en la densidad de los componentes que se podrían colocar en una zona determinada de un chip, dice Fang. inicial del dispositivo de prueba de concepto del equipo utiliza una pequeña pieza de grafeno intercalada entre dos capas del material ferroeléctrico para hacer guías de onda plasmónica simples, conmutables. Este trabajo utiliza niobato de litio, pero muchos otros materiales podría ser utilizado, dicen los investigadores. La luz puede ser confinado en estas guías de onda a una parte en unos pocos cientos de la longitud de onda en el espacio libre, Jin dice, lo que representa un orden de mejora de magnitud por encima de cualquier sistema de guía de ondas comparables. "Esto abre las zonas interesantes para la transmisión y el procesamiento de señales ópticas", dice.

Por otra parte, el trabajo puede proporcionar una nueva forma de leer y escribir datos electrónicos en dispositivos de memoria ferroeléctricos a muy alta velocidad, dicen los investigadores del MIT.
Dimitri Basov, profesor de física en la Universidad de California en San Diego que no haya accedido a esta investigación, dice el equipo del MIT "propone una estructura plasmónica muy interesante, conveniente para la operación en el tecnológico significativo rango [terahertz]. Estoy seguro de que muchos grupos de investigación a tratar de poner en práctica estos dispositivos. "
Basov advierte, sin embargo, "La cuestión clave, como en toda la plasmónica, es pérdidas. Las pérdidas deben ser explorados y comprendidos a fondo. "
Además de Fang Jin, la investigación fue llevada a cabo por el estudiante graduado Anshuman Kumar, ex postdoc Kin Hung Fung (ahora en la Universidad Politécnica de Hong Kong), y el investigador científico junio Xu. Fue apoyado por la Fundación Nacional de la Ciencia y de la Fuerza Aérea Oficina de Investigación Científica.

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Para impulsar Baterías de iones de litio, boro Añadir

Las posibilidades que ofrece el grafeno se aclaran por el día como los laboratorios de todo el mundo a crecer y probar la forma de un átomo de espesor de carbono. Debido a que es tan delgado como sea posible, los fabricantes de baterías esperan sacar provecho de la superficie masiva de grafeno para almacenar iones de litio.

Contando ambos lados del material, un gramo cubriría 2.630 metros cuadrados, o casi la mitad de un campo de fútbol. Pero hay un problema: Los iones no se pegan al grafeno muy bien.

Una nueva teoría sugiere que un compuesto de grafeno / boro sobresaldría como ánodo ultra fino para las baterías de litio-ion. El compuesto podría almacenar mucha más energía que los electrodos de grafito utilizados en las baterías actuales. (Crédito: Vasilii Artyukhov / Universidad de Rice)
"Como sucede a menudo con el grafeno, la gente sobreventa lo maravilloso que sería para absorber iones", dice el físico teórico Boris Yakobson de la Universidad de Rice, cuyo grupo analiza las relaciones entre los átomos en función de su energía intrínseca. "Sin embargo, en los experimentos, no podían ver, y estaban frustrados."

Los científicos del Instituto de Investigación de Honda, que estén interesados ​​en potentes baterías para coches eléctricos, pidió Yakobson para ver la situación. "Nos fijamos en la capacidad teórica de una hoja ideal de grafeno, y luego la forma en que podía o no podía beneficiarse de curvatura (en un nanotubo) o defectos topológicos. Nuestra expectativa inicial era que mejoraría litio vinculante.

"Pero la teoría no mostró ninguna mejora significativa", dice. "Me ha decepcionado, pero los experimentadores estaban satisfecho porque ahora sus observaciones tenían sentido."

Cálculos con grafeno con defectos, en el que la matriz de nido de abeja es interrumpido por cinco y siete átomo de polígonos, no les fue mejor."Así que decidimos explorar los defectos de los diferentes tipos en los que reemplazar algunos átomos de carbono con otro elemento que crea sitios más atractivos para el litio", dice. "Y boro es uno de ellos."

Un compuesto de carbono / boro en la que una cuarta parte de los átomos de carbono se sustituyen por boro resultó ser casi ideal como una manera de activar la capacidad de grafeno para almacenar de litio, dice Yakobson.El boro atrae a los iones de litio en la matriz, pero no tan fuertemente que no se pueda tirar de un ánodo de carbono / boro por un cátodo más atractivo.

"Contar con boro en la red da muy bien vinculante, por lo que la capacidad es lo suficientemente bueno, dos veces más grande que el grafito", el electrodo más utilizado en las baterías de iones de litio comerciales, dice."Al mismo tiempo, la tensión también es correcto."

Yakobson y Rice estudiante graduado Yuanyue Liu, primer autor del artículo publicado en la revista Journal of Physical Chemistry Letters , calculado que una hoja de grafeno totalmente lithiated / boro bidimensional tendría una capacidad de 714 miliamperios hora por gramo.

Eso se traduce en una densidad de energía de 2.120 vatios-hora por kilogramo, mucho mayor que el grafito, cuando se combina con un cátodo de óxido de cobalto de litio comercial. También determinaron que el material no se ampliaría radicalmente o contraerse a medida que se carga y descarga.

"En este caso, parece bastante razonable y supera, en teoría, al menos, lo que ya está disponible," dice Yakobson.

Un paso importante será encontrar una manera de sintetizar el compuesto de carbono / boro en grandes cantidades. "No existe, pero no es disponible en el comercio", dice.

Los co-autores del artículo son arroz investigador asociado Vasilii Artyukhov, Rice estudiante graduado Mingjie Liu y Avetik Harutyunyan, jefe científico del Instituto de Investigación de Honda. Yakobson es profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales y profesor de la química.

El Honda Instituto de Investigación y el Departamento de Energía (DOE) apoyaron la investigación. Los cálculos se realizaron con el sistema DaVinci Rice, y el Instituto Nacional de Ciencias Computacionales Kraken, ambos financiados por la Fundación Nacional para la Ciencia y la National Energy Research Scientific Computing Center Hopper, apoyada por el DOE.

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El grafeno y nitruro de boro se combinaron para crear Semiconductor

El grafeno ha deslumbrado a los científicos desde su descubrimiento hace más de una década con sus propiedades inigualables electrónicos, fuerza y peso ligero. Pero una meta largamente buscada ha resultado difícil: ¿Cómo el ingeniero en el grafeno de una propiedad llamada brecha de banda, lo que sería necesario utilizar el material para hacer transistores y otros dispositivos electrónicos.
Ahora, los nuevos hallazgos de investigadores del MIT son un paso importante hacia la fabricación de grafeno con esta propiedad codiciada.El trabajo también podría dar lugar a la revisión de las predicciones teóricas de la física de grafeno.

De izquierda a derecha: Prof. Ray Ashoori, postdoctorados Andrea Young y Ben Hunt, el estudiante graduado de Javier Sánchez-Yamagishi, y el Prof. Pablo Jarillo-Herrero.(Foto: Jarillo-Herrero y grupos Ashoori)

La nueva técnica consiste en colocar una hoja de grafeno, un material a base de carbono cuya estructura es sólo un átomo de espesor, en la parte superior de nitruro de boro hexagonal, otro material de un átomo de espesor con propiedades similares. Increíble capacidad del material de las acciones de grafeno resultante para conducir electrones, mientras que la adición de la brecha necesaria para formar transistores y otros dispositivos semiconductores de banda.
El trabajo se describe en un artículo en la revista Ciencia co-escrito por Pablo Jarillo-Herrero, el Asistente de Desarrollo Profesional Mitsui Profesor de Física en el MIT, el profesor de Física Ray Ashoori, y otros 10.
"Mediante la combinación de dos materiales," Jarillo-Herrero dice, "Hemos creado un material híbrido que tiene propiedades diferentes a cualquiera de los dos."
El grafeno es una muy buena conductor de electrones, mientras que el nitruro de boro es un buen aislante, que bloquea el paso de electrones."Hicimos un semiconductor de alta calidad, al unirlos", explica Jarillo-Herrero. Semiconductors, que pueden cambiar entre conductores y aislantes estados, son la base de toda la electrónica moderna.

Para que el material híbrido, los investigadores tuvieron que alinear, con cerca de la perfección, las celosías atómicos de los dos materiales, que ambos consisten en una serie de hexágonos. El tamaño de los hexágonos (conocida como la constante de red) en los dos materiales es casi el mismo, pero no del todo: Los que están en nitruro de boro son 1,8% más grande. Así, mientras que es posible alinear los hexágonos hasta casi a la perfección en un solo lugar, en un área mayor del patrón entra y sale de la caja registradora.
Llegados a este punto, los investigadores dicen que deben confiar en la posibilidad de obtener la alineación angular para la electrónica deseada propiedades de la pila resultante. Sin embargo, la alineación resulta ser correcta acerca de una vez de cada 15, dicen.
"Las cualidades del nitruro de boro sangrar más en el grafeno", dice Ashoori. Pero lo que es más "espectacular", añade, es que las propiedades de los semiconductores resultante puede ser "sintonizada" con solo girar ligeramente una hoja con respecto al otro, lo que permite una gama de materiales con diversas características electrónicas.
Otros han hecho el grafeno en un semiconductor mediante el grabado de las hojas en tiras estrechas, Ashoori dice, pero este enfoque se degrada sustancialmente las propiedades eléctricas del grafeno. Por el contrario, el nuevo método parece no producir tal degradación.
La brecha de banda creada hasta el momento en el material es menor que la necesaria para los dispositivos electrónicos prácticos;. encontrar maneras de aumentarla se requerirá un trabajo adicional, los investigadores afirman que
"Si una gran brecha de banda podría ser diseñado, podría tener aplicaciones en todos los productos electrónicos digitales ", dice Jarillo-Herrero. Pero incluso en su nivel actual, añade, este enfoque podría aplicarse a algunas aplicaciones optoelectrónicas, como fotodetectores.
Los resultados "nos sorprendió gratamente," Ashoori dice, y requerirán una explicación por los teóricos. Debido a la diferencia en las constantes de red de los dos materiales, los investigadores habían predicho que las propiedades del híbrido podría variar de un lugar a otro. En cambio, encontraron una, brecha de banda constante, e inesperadamente grande en toda la superficie.
Además, Jarillo-Herrero dice, la magnitud del cambio en las propiedades eléctricas producidas por poner los dos materiales juntos "es mucho más grande que la teoría predice."
El equipo del MIT también se observa un interesante fenómeno físico.Cuando se expone a un campo magnético, el material presenta propiedades fractales, conocidos como un espectro de energía de la mariposa Hofstadter, que se describió hace décadas por los teóricos, pero creía imposible en el mundo real. Hay una intensa investigación en esta área, otros dos grupos de investigación también informan sobre estos efectos mariposa Hofstadter esta semana en la revista Naturaleza .
La investigación incluyó a investigadores postdoctorales Ben Hunt y Andrea Young y el estudiante graduado Javier Sánchez-Yamagishi, así como otros seis investigadores de la Universidad de Arizona, el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales en Tsukuba, Japón, y la Universidad de Tohoku en Japón. El trabajo fue financiado por el Departamento de Energía de EE.UU., la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Nacional de Ciencia.

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El grafeno promete revolucionar la electrónica, ahora ya esta en pantalla táctil transparente y paneles solares un paso más cerca

El grafeno promete revolucionar la electrónica, pero aún estamos esperando basados ​​en el grafeno tecnologías lleguen al mercado. Investigadores de la Universidad Rice, han creado transparentes, basados ​​en el grafeno electrodos que dicen que podría ser la "killer application" que finalmente pone el grafeno en el centro de atención comercial. Los electrodos basados ​​en el grafeno puede ser usado para reemplazar el óxido de estaño e indio cada vez más caros (OIC) en pantallas táctiles, las células solares fotovoltaicas y la iluminación LED.

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OIC se usa como una capa transparente, conductora en prácticamente todos los monitores de pantalla plana, incluyendo pantallas táctiles en los teléfonos inteligentes y Tablet PC, y se utiliza en la producción ecológica diodos emisores de luz (OLED) y células solares. Con el aumento de la popularidad de estos productos, el indio se ha convertido en elemento cada vez más raro y por lo tanto más caro.También es frágil, lo que lo descarta para el uso en pantallas flexibles y aumenta el riesgo de la pantalla de su teléfono inteligente grietas cuando el aparato se ha caído.

Por estas razones, los investigadores han estado buscando un reemplazo de ITO conductor de la electricidad que se puede poner sobre un sustrato flexible como el plástico. Ahora el laboratorio químico de Rice turística James ha creado películas delgadas que podría combinarse con otros componentes flexibles, electrónica transparente y llevar a los ordenadores que se envuelven alrededor de la muñeca y las células solares que se colocan alrededor casi cualquier cosa.

El Laboratorio de película delgada Tour combina una hoja de una sola capa de grafeno de alta conductividad con una rejilla fina de metal de nanocables. Los investigadores afirman que el material supera fácilmente los materiales competidores ITO y otros, con mayor transparencia y menor resistencia a la corriente eléctrica.

"Otros laboratorios han visto en el uso de grafeno puro. Puede que funcione, en teoría, pero cuando lo pones en un sustrato, que no tienen una conductividad bastante alta en una transparencia lo suficientemente alto. Tiene que ser asistido de alguna manera", afirma Tour .

Por el contrario, dijo el investigador postdoctoral Zhu Yu, autor principal del artículo que detalla el trabajo del equipo, mallas finas de metal muestran una buena conductividad, pero las diferencias en los nanocables para mantener su transparencia hacen inadecuados como componentes independientes de electrodos conductivos.

Pero la combinación de los materiales que funciona estupendamente, dijo Zhu. La rejilla de metal refuerza el grafeno, y el grafeno se llena todos los espacios vacíos entre la red. Los investigadores descubrieron una red de nanocables de cinco micras de aluminio barato, ligero, no afectó a la transparencia del material.

"Cinco micras de líneas de la cuadrícula son alrededor de un décimo del tamaño de un cabello humano, y un cabello humano es difícil de ver," dijo el Tour.

Tour dijo rejillas de metal podrían ser fácilmente producidos sobre un sustrato flexible a través de técnicas estándar, incluyendo rollo a rollo y la impresión de chorro de tinta. Técnicas para la toma de grandes hojas de grafeno también están mejorando rápidamente, dijo, los laboratorios comerciales ya han desarrollado una técnica de rollo a rollo de la producción de grafeno.

"Este material está listo para escalar en este momento", dijo.

A pesar de las pruebas mostraron la conductividad de la película híbrido disminuye entre un 20 y un 30 por ciento con la inicial de 50 curvas, el material se estabiliza y no se observaron variaciones significativas en hasta 500 ciclos de flexión. Tour dijo que las pruebas de flexión más riguroso se deja a los usuarios comerciales.

"No sé cuántas veces una persona rodaría un equipo", añadió el Tour. "Tal vez 1.000 veces? Diez mil veces? Es difícil ver cómo se llevan a cabo en el curso de la vida que normalmente mantienen un dispositivo", dijo el Tour.

La película es también el medio ambiente estable, con películas de laboratorio expuestos al medio ambiente en el laboratorio no muestran signos de deterioro tras un período de un año. Además, el aluminio y el uso de carbono ofrece un ahorro significativo en comparación con el cada vez más caros de la OIC.

"Ahora que sabemos que funciona bien en sustratos flexibles, esto trae a la eficacia de grafeno un paso adelante respecto a su utilidad potencial", dijo el Tour.

La Universidad de Rice papel del equipo, co-escrito por los estudiantes de postgrado Zhengzong Sol y Yan Zheng, y el ex investigador postdoctoral Jin Zhong, aparece en la edición digital de ACS Nano .

http://www.gizmag.com/transparent-flexible-graphene-based-electrodes/19397/?utm_source=Gizmag+Subscribers&utm_campaign=f0adb533b3-UA-2235360-4&utm_medium=email

Optimización de la película grafeno

por lo que arroja agua

 

El físico James Dickerson, a la izquierda, y el estudiante graduado Saad Hasan (Foto: Daniel Dubois)

Parabrisas que arrojan agua con tanta eficacia que no necesitan limpiadores. Cascos de los buques por lo resbaladizo que se deslizan por el agua más eficientemente que los cascos normales.

Estas son algunas de las posibles aplicaciones de grafeno, uno de los mejores materiales en el campo de la nanotecnología, suscitadas por las investigaciones de James Dickerson , profesor asistente de física en la Universidad de Vanderbilt.

El físico James Dickerson (Foto: Daniel Dubois)

Dickerson y sus colegas han descubierto la manera de crear una película independiente de óxido de grafeno y alterar su rugosidad de la superficie para que sea hace que el agua se acumule y salir corriendo o hace que se extienden en una capa delgada.

"Las películas de grafeno son transparentes y, debido a que están hechos de carbono, que son muy baratos de hacer", dijo Dickerson. "La técnica que utilizamos se puede aumentar rápidamente la escala para producir en cantidades comerciales."

Su enfoque está documentado en un artículopublicado en Internet por la revista ACSNano el 26 de noviembre.

El grafeno se compone de láminas de átomos de carbono dispuestos en anillos - algo así como tela metálica molecular. Esto no sólo es uno de los materiales más delgada posible, pero es 10 veces más fuerte que el acero y conduce la electricidad mejor a temperatura ambiente que cualquier otro material conocido. propiedades exóticas grafeno han atraído interés científico generalizado, pero Dickerson es uno de los primeros en investigar la forma en que interactúa con el agua.

Muchos científicos estudiar grafeno hacerlo utilizando un método en seco, llamada "división mecánica", que consiste en frotar grafito o raspar contra una superficie dura. La técnica produce hojas que son muy delgadas y extremadamente frágil. método de Dickerson puede producir hojas igual de delgada, pero considerablemente más fuerte que las realizadas por otras técnicas. Que ya se utiliza comercialmente para producir una variedad de diferentes recubrimientos y materiales cerámicos. Conocida como la deposición electroforética, esta "mojada" técnica combina un campo eléctrico dentro de un medio líquido para crear películas de nanopartículas que pueden ser transferidos a otra superficie.

Dickerson y sus colegas descubrieron que podían cambiar la manera en que las partículas de óxido de grafeno se ensamblan para formar una película, variando el pH del medio líquido y la tensión eléctrica utilizada en el proceso. Un par de ajustes de establecer las partículas en una "alfombra" acuerdo que crea una superficie lisa casi atómica. Un par de ajustes diferentes causas que las partículas se agrupan en pequeños "ladrillos" que forman una superficie irregular y desigual. Los investigadores determinaron que la superficie de la alfombra hace que el agua se extienden en una capa delgada, mientras que la superficie de ladrillo hace que el agua se acumule y salir corriendo.

Dickerson está llevando a cabo un enfoque que podría crear la película que mejora las propiedades relacionadas con el agua, lo que hace aún más efectiva, ya sea extendiendo el agua o haciendo que se cuenta arriba y salir corriendo. Existe un considerable interés académico y comercial en el desarrollo de recubrimientos con estas propiedades mejoradas, llamado super-super hidrofóbico y hidrófilo. Las aplicaciones potenciales van desde gafas de auto-limpieza y ropa para antiniebla superficies de protección contra la corrosión y protección de la carga de nieve en los edificios. Sin embargo, eficaz y de bajo costo y revestimientos durables aún tienen que hacer fuera del laboratorio.

Dickerson puede ajustar el proceso de creación de películas de óxido de grafeno para que se forman por la "alfombra" proceso, por encima, es decir "agua amor" extremo liso y / o por un "ladrillo" del proceso, a continuación, que es odiar el agua en bruto y ". " (Imagen cortesía de James Dickerson)

Dickerson idea es aplicar el procedimiento básico para "fluorographene" - una versión fluorados de grafeno que es una versión bidimensional de teflón - recientemente producida por Kostya S. Novoselov y Andre K. Geim en la Universidad de Manchester, que recibió el 2010 Premio Nobel por el descubrimiento del grafeno. fluorographene normal bajo tensión debe ser considerablemente más eficaz en repeler el agua que el óxido de grafeno. Así que hay una buena probabilidad de un "ladrillo" y una versión de "alfombra" versión tendría efectos extremos relacionados con el agua, las cifras Dickerson.

Estudiantes de postgrado Saad Hasan, rigor John, Robert y Harl Krejci Alex, el científico de investigación postdoctoral Isabel Gonzalo Juan y Profesor Asociado de Química y de Ingeniería Biomolecular Bridget R. Rogers contribuyó a la investigación, que fue financiado por una subvención de Vanderbilt Discovery y por la Nacional Science Foundation.

Póngase en contacto con:
David Salisbury, (615) 322-NOTICIAS
david.salisbury @ vanderbilt.edu

Los Transistores de grafeno no puede estar en un estado totalmente “apagados”

IBM: Grafeno no reemplazará "totalmente" al silicio

 

Después de los descubrimientos relacionados con le Grafeno, con un premio Nóbel de por medio, había mucha expectación frente a cómo se aplicarían al mundo de la informática, especialmente al nivel de los transistores. Sin embargo, IBM parece botar toda esperanza de un chip hecho totalmente de tal sustrato.

La estructura cristalina ideal del grafeno es una retícula hexagonal - Wikipedia (CC)

Yu-Ming Lin, el investigador de IBM, le dijo a la revista CustomPC lo siguiente que el grafeno “no reemplazará el rol del silicio en el actual régimen digital y computacional”. De hecho, los transistores que demostraron el otro día a velocidades estratoesféricas son muy diferentes a aquellos que conocemos basados en silicio, como los de una CPU común y corriente: los de grafeno no puede estar en un estado totalmente “apagados”.

En otras palabras, es muy difícil que veamos un CPU totalmente de grafeno, pero sí es posible usar ambas tecnologías para complementarse. Esto del grafeno tiene para rato en el mundo de la informática, pero por lo menos no se ve lejos su aplicación en pantallas.

Fuente: http://www.chw.net/2011/01/ibm-grafeno-no-reemplazara-totalmente-al-silicio/

El Gap del grafeno abierto por vapor de agua, se prevé la utilización en Chips

El grafeno gap abierto por el vapor

R. Johnson, Colin

10/29/2010 02:56 PM EDT

PORTLAND, Oregon Las hojas de carbono en el grafeno, puede conducir la electricidad hasta un millón de veces mejor que las vías convencionales de silicio en los microchips, que los convierte en fuerte candidato para el futuro de las capas de interconexión en el chip. Para utilizar grafeno como un semiconductor, sin embargo, se requiere la apertura de un gap, en el que los electrones donde deben saltar, lo que permite las operaciones de cambio de una computadora digital. Ahora Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), afirma haber descubierto un método simple de la apertura de un gap, en el grafeno con agua.

Es mediante el control de la cantidad de humedad dentro de los paquetes de chips, los investigadores mostraron RPI gap que el grafeno, podría ser sintonizado para aplicaciones específicas.

El gap de un material, se mide desde la parte inferior de la banda de valencia (que contiene electrones ligados en órbitas cercanas a la atómica), a la parte superior de la banda de conducción (en la órbita de electrones libres). En los conductores puros, como cables de cobre, las dos bandas no tienen diferencias, como cualquier electrón, está en juego cuando un potencial de voltaje se presenta. Para aisladores puros, las bandas están separadas por un abismo que sólo puede salvarse al exceder el voltaje de ruptura del material. En el medio, está la región de semiconductores, donde hay una reticencia de los electrones para cruzar la banda, permitiendo que los mecanismos de conmutación, que hacer el trabajo de la electrónica digital.

IBM informó a principios de este año que su arquitectura de doble puerta de grafeno, bi-capa, efectivamente podría abrir un gap de 0,13 electronvoltios (eV), pero el equipo de RPI dirigido por el profesor Nikhil Koratkar, fue capaz de abrir un gap de 0,2 eV, con vapor de agua simple. Además, los informes del equipo RPI, para el ajuste la banda prohibida de grafeno, en cualquier lugar es de 0 (un conductor metálico puro) hasta llegar a 0,2 eV, (un semiconductor adecuado para los detectores de infrarrojos), con sólo controlar la cantidad de humedad. El equipo afirma que su método de ajuste de la banda prohibida de grafeno, permitirá la optimización de aplicaciones específicas, al atrapar una cantidad precisa de la humedad dentro de un paquete de chips.

Las Tecnologías de encapsulado de componentes informáticos, de acuerdo con Koratkar, debe permitir que los fabricantes de chips, "para construir un pequeño recinto en torno a determinadas partes o la totalidad de un chip de computadora en la que sería muy fácil para controlar el nivel de humedad."

 

Una película de grafeno sobre un soporte de dióxido de silicio, está eléctricamente siendo probada, usando una sonda de cuatro puntos. 

Otros miembros del equipo de Koratkar incluyeron al profesor Theodorian Borca-Tasciuc y doctorado Fazel Yavarí de RPI, y profesor de la Universidad de Rice Ajayan Pulickel, de investigación postdoctoral compañeros Li y el candidato al doctorado Hemtej Gulapalli.

El financiamiento para el proyecto fue proporcionado por el Consorcio de Energía Avanzada (AEC), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) Iniciativa de Investigación sobre la nano electrónica, y el Departamento de Energía de EE.UU. Oficina de Ciencias Básicas de la Energía (BES).

Fuente: http://www.eetimes.com/electronics-news/4210253/Graphene-bandgap-opened-by-vapor

Capacitores de grafeno, se vuelven 'Supercapacitores'

30/10/2010

El grafeno nanosheet electrodo

Los investigadores en los EE.UU. han construido el primer SUPERCONDENSADOR. de alta frecuencia de CA, que contiene electrodos de grafeno. Los dispositivos, que son mucho más pequeños que los condensadores convencionales, podría ser utilizado en aplicaciones como las unidades de procesamiento de computadora, y otros circuitos integrados pequeños.

Los condensadores ,son dispositivos que almacenan cargas eléctricas. "Supercondensadores", más conocida con condensadores eléctricos de doble capa (DLC), o condensadores electroquímicos, pueden almacenar muchos más datos, gracias a la carga de doble capa, formada en la interfase electrodo-electrolito, cuando se aplica voltaje.

DLC comerciales, tienen alto rendimeinto en comparación con las baterías, pero son esencialmente dispositivos DC , es decir, que tardará unos segundos en cargar completamente, y luego varios para el cabal funcionamiento. Funcionan de forma eficaz, en las frecuencias por debajo de 0,05 Hz, y por lo tanto son bueno para aplicaciones como los vehículos híbridos, que pueden tardar hasta 10 segundos para la carga (al frenar), y 10 segundos para la descarga (al acelerar). Sin embargo, a frecuencias más altas, se vuelven mucho menos eficientes, y se  comportan como resistencias, en lugar de los condensadores. Esto se debe a los dispositivos, que por lo  general contienen electrodos porosos, hechos de una gran superficie del área de material conductor, como el carbón activado, y los poros aumentan la resistencia de los dispositivos.

Ahora, John R. Miller y sus colegas, de la JME Inc. en Shaker Heights y Case Western Reserve University, en Cleveland, tanto en Ohio, han superado este problema mediante el desarrollo de la primera DLC, que contiene una superficie de electrodos dispuestos en forma de alta calidad de grafeno, el área orientada que no presenta porosidad en absoluto.El dispositivo lleva la frecuencia de funcionamiento, de un condensador de doble capa eléctrica a más allá de 5000 Hz, que es un factor de 10,^cinco más que los CAD comerciales. Lo que es más, es seis veces menor que-aluminio de bajo voltaje, de los condensadores electrolíticos y puede ser cargada y descargada en la eficacia alta en tiempos mucho más cortos de 1 ms.

Una visión diferente del electrodo

Los investigadores desarrollaron el grafeno,en hojas en 2D de carbono, con sólo un átomo de grosor, en un metal con un vapor asistidao, por plasma en procesos químicos de la deposición.

Estas hojas de grafeno orientada verticalmente, son ideales en términos de estructura de alta frecuencia DLC, los electrodo de aplicaciones, dice el equipo. Tienen bordes muchos planos, que pueden proporcionar entre 50 y 70 mF / cm^2, de la capacitancia en comparación con los planos basales, que sólo ofrecen 3 mF / cm². Estos bordes planos, de almacenamiento de carga están muy expuestos, y por lo tanto se puede acceder directamente, lo que significa que la carga puede ser almacenada en áreas precisas, en lugar de ser dispersarlos sobre grandes regiones. Y por último, pero no menos importante, la estructura  nanosheet  de"apilados", garantiza que los poros se reducen, para minimizar la resistencia, y las hojas se están llevando a cabo muy bien.

"La conclusión, es que estos dispositivos podrían llevar a los pequeños condensadores, de alta frecuencia para aplicaciones en redes de baja tensión, como CPU y  circuitos integrados similares", dijo Miller.

La investigación, también podría permitir nuevos tipos de circuitos electrónicos, que utilizan los niveles mucho más altos de la capacitancia, que estos dispositivos a disposición, añade.

El equipo, que incluye a científicos del Colegio de William and Mary en Williamsburg, y la Defense Advanced Research Projects Agency, tanto en Virginia, ahora los planes para mejorar la forma, en que el material de electrodos de grafeno, se cultiva y asi optimizar el diseño de los dispositivos capacitivos.

El trabajo fue publicado en la ciencia.

Acerca del autor

Belle Dumé es un editor que contribuyen a nanotechweb.org.

Fuente: http://physicsworld.com/cws/article/news/43828

Electrónica. Avances. Transistores de triple modo de grafeno muestran su potencial

Los investigadores presentan amplificadores basados en el grafeno

Una investigación de la Universidad Rice que aprovecha las amplias capacidades del grafeno podría conducir a aplicaciones circuitales mucho más compactas y versátiles que lo que es factible ahora con las tecnologías en base al silicio.

Los amplificadores de triple modo con un solo transistor basado en el grafeno —la forma del carbono de un átomo de espesor por la que recientemente ganaron sus descubridores un Premio Nobel— podrían convertirse en elementos clave en los futuros circuitos electrónicos.

El descubrimiento de los investigadores de Rice se informó esta semana en la revista ACS Nano.

El grafeno es muy fuerte, casi transparente y conduce la electricidad muy bien. Pero otra propiedad clave es su ambipolaridad, la capacidad del grafeno de cambiar entre el uso de portadores positivos y negativos sobre la marcha en función de la señal de entrada. Los transistores de silicio tradicionales suelen utilizar uno u otro tipo de portador, algo que se determina durante la fabricación.

Un amplificador de tres terminales de un solo transistor hecho de grafeno se puede cambiar en cualquier momento durante el funcionamiento a cualquiera de tres modos —con portadores positivos, negativos o ambos— lo que ofrece posibilidades que no eran posibles con un solo transistor en las arquitecturas tradicionales, dice Kartik Mohanram , un profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática de Rice. Él colaboró en la investigación con Balandin Alexander, profesor de ingeniería eléctrica en la Universidad de California en Riverside, y sus estudiantes Xuebei Yang (de Rice) y Guanxiong Liu (en Riverside).

Mohanram comparó las habilidades del nuevo transistor a las de una canilla de agua. “Ábrela y corre el agua”, dijo. “Ciérrala y el agua se detiene. Eso es lo que hace un transistor tradicional. Es un dispositivo unipolar… Sólo se abre y se cierra en una sola dirección”.

“Pero si usted cierra demasiado la canilla y ésta se abre de nuevo y el agua fluye, eso es lo que es ambipolaridad: Circulación de corriente cuando se abre el transistor en cualquier dirección alrededor de un punto de mínima conducción.”

Esto por sí solo significa que un transistor de grafeno puede ser “de tipo N” (negativo) o “tipo P” (positivo), dependiendo de si el portador se origina en la fuente o en los terminales de drenaje (que son efectivamente intercambiables). Una tercera función aparece cuando la entrada de cada portador es igual: El transistor se convierte en un multiplicador de frecuencia. Combinando los tres modos, el equipo de Rice-Riverside demostró esquemas comunes de manejo de señales, como cambio de fase y desplazamiento de frecuencia, claves para aplicaciones inalámbricas y de audio.

“Nuestro trabajo, y el de otros, que se centra en las aplicaciones de ambipolaridad, complementa los esfuerzos para hacer un mejor transistor de grafeno”, dijo Mohanram. “Esto promete una mayor funcionalidad”. La investigación demostró que un único transistor de grafeno podría sustituir a muchos en un circuito integrado típico, dijo. Las excelentes propiedades del grafeno y su compatibilidad en relación con la fabricación en base al silicio debería permitir que se integren los dos tipos de circuito en el futuro, agregó.

Hay obstáculos tecnológicos por superar, dijo Mohanram. Los pasos de fabricación como la deposición de dieléctrico y de los contactos “termina perturbando el entramado, rayándolo e introduciendo defectos”. Esto inmediatamente degrada el rendimiento (limitando la ganancia de señal), por lo que tenemos que tener mucho cuidado en la fabricación.

“Pero la tecnología madurará, ya que muchos grupos de investigación están trabajando duro para hacer frente a estos desafíos”, dijo.

Referencia de publicación 21/nn1021583

El transistor de grafeno

Ingenieros y especialistas de la UCLA han logrado desarrollar el transistor de grafeno más rápido hasta la fecha, con una frecuencia de hasta 300 GHz. Para obtener este adelanto han superado varios de los inconvenientes típicos en la integración de este material en dispositivos electrónicos. El incremento en la velocidad puede aumentar el potencial del grafeno para su aplicación en radios, computadoras, teléfonos y otros aparatos electrónicos de menor tamaño.

Un transistor de grafeno desarrollado por expertos norteamericanos ha obtenido un nuevo récord mundial en cuanto a la velocidad de este tipo de dispositivos, logrando llegar a una frecuencia de hasta 300 GHz. La innovación se ha concretado luego de hacer frente con éxito a los distintos problemas que supone el grafeno a la hora de integrarlo a dispositivos electrónicos, abriendo un nuevo campo de aplicaciones para este material en el desarrollo de artefactos más rápidos y más pequeños.

El grafeno es una capa de un átomo de espesor de carbono grafito, y posee excelentes propiedades para la fabricación de dispositivos electrónicos de todo tipo, como por ejemplo ordenadores o equipos de radio, con la ventaja además de poder aplicarse en estructuras de menor tamaño y con máxima eficacia.

Sin embargo, sus propiedades únicas también han dado lugar a dificultades en la integración de este material en los dispositivos mencionados y otros similares. A pesar de esto, ingenieros y químicos de la UCLA han anunciado recientemente los resultados de un trabajo que parece haber solucionado gran parte de estas limitaciones en el empleo del grafeno.

El desarrollo de un transistor de grafeno que sería el más rápido existente hasta hoy mereció un artículo en la revista especializada Nature, como así también otra nota informativa en el portal Science Daily. Al mismo tiempo, la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) también ha difundido el avance a través de una nota de prensa.

Inconvenientes superados

La velocidad a la que se transmite la información electrónica por un material como el grafeno lo transforma en una excelente alternativa para dispositivos de radiofrecuencia y otros artefactos electrónicos, pero las técnicas tradicionales para fabricar este material habitualmente conducen a un deterioro de la calidad del dispositivo.

El equipo de UCLA, dirigido por el profesor Xiangfeng Duan, ha desarrollado un nuevo proceso de fabricación de los transistores de grafeno, utilizando un nanocable y otros elementos que permiten, por un lado, eliminar los inconvenientes indicados con anterioridad y, por otro, incrementar la velocidad de funcionamiento.

Las innovaciones aplicadas en los transistores permiten optimizar sus funciones relacionadas con el cambio entre varios estados, como así también superar los problemas de desalineación que se producen debido a la reducción de escalas en electrónica y nanoelectrónica. Estas ventajas aumentan la eficacia de estos transistores de grafeno de alta velocidad.

Para desarrollar la nueva técnica de fabricación de los transistores se requirió un equipo interdisciplinario de UCLA conducido por Duan, con especialistas en las áreas de química, bioquímica, ciencia e ingeniería de materiales, ciencias aplicadas e ingeniería electrónica, entre otros campos.

Amplias ventajas

Los beneficios de esta nueva estrategia de fabricación de transistores de grafeno son múltiples. En primer lugar, no se producen defectos apreciables en el grafeno durante la fabricación, manteniendo inalterable las condiciones del mismo y permitiendo aprovecharlas al máximo en los dispositivos electrónicos.

Por otro lado, al superar las dificultades de alineación encontradas con anterioridad en los procesos convencionales, se pueden fabricar dispositivos extremadamente pequeños con un rendimiento sin precedentes. Es así que se obtiene la mayor velocidad lograda hasta hoy en esta clase de transistores.

Esto supone una frecuencia de corte de hasta 300 GHz, que puede compararse a la obtenida con transistores desarrollados a partir de materiales con una alta movilidad de electrones, como el arseniuro de galio o el fosfuro de indio. Sin embargo, el grafeno resulta altamente operativo y eficiente en dispositivos electrónicos.

Según los propios ingenieros e investigadores, el equipo está sorprendido por los resultados obtenidos. Es así que ya se están tomando medidas adicionales para ampliar el enfoque y reforzar aún más la velocidad de los transistores de grafeno. El financiamiento para esta investigación provino de la National Science Foundation y de los National Institutes of Health.

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Fuente: http://axxon.com.ar/noticias/2010/10/transistores-de-triple-modo-de-grafeno-muestran-su-potencial/