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Descubrimiento del grafeno

Konstantin Novoselov (izquierda) y Andre Geim (derecha) en una conferencia de prensa del Premio Nobel de 2010
Un trozo de grafito , un transistor de grafeno y un dispensador de cinta , una herramienta que se utilizó para la exfoliación de grafeno monocapa a partir de grafito en 2004. Donado al Museo Nobel de Estocolmo por Andre Geim y Konstantin Novoselov en 2010.

El grafeno de una sola capa fue producido e identificado de forma inequívoca por primera vez en 2004, por el grupo de Andre Geim y Konstantin Novoselov , aunque atribuyen a Hanns-Peter Boehm y sus colaboradores el descubrimiento experimental del grafeno en 1962; mientras que PR Wallace lo había explorado teóricamente en 1947. [1] [2] Boehm et al. introdujeron el término grafeno en 1986. [3] [4]

Historia temprana

En 1859, Benjamin Collins Brodie se dio cuenta de la estructura altamente laminar del óxido de grafito reducido térmicamente . [5] [6]

La estructura del grafito fue identificada en 1916 [7] mediante el método relacionado de difracción de polvo . [8] Fue estudiada en detalle por Kohlschütter y Haenni en 1918, quienes describieron las propiedades del papel de óxido de grafito . [9] Su estructura fue determinada a partir de difracción de monocristal en 1924. [10]

La teoría del grafeno fue explorada por primera vez por PR Wallace en 1947 como punto de partida para comprender las propiedades electrónicas del grafito 3D. [3] [11] La ecuación de Dirac sin masa emergente fue señalada por primera vez por Gordon W. Semenoff , David DiVincenzo y Eugene J. Mele . [12] Semenoff enfatizó la ocurrencia en un campo magnético de un nivel electrónico de Landau precisamente en el punto de Dirac. Este nivel es responsable del efecto Hall cuántico entero anómalo . [13] [14] [15]

Las primeras imágenes TEM de grafito de pocas capas fueron publicadas por G. Ruess y F. Vogt en 1948. [16] Más tarde, se observaron capas individuales de grafeno directamente mediante microscopía electrónica. [17] Antes de 2004, los compuestos de grafito intercalados se estudiaban con un microscopio electrónico de transmisión (TEM). En ocasiones, los investigadores observaron láminas finas de grafito ("grafeno de pocas capas") y posiblemente incluso capas individuales. Un estudio temprano y detallado sobre el grafito de pocas capas data de 1962, cuando Boehm informó sobre la producción de láminas monocapa de óxido de grafeno reducido. [18] [19] [20] [21]

A partir de la década de 1970, se empezaron a cultivar capas individuales de grafito de forma epitaxial sobre otros materiales. [22] Este "grafeno epitaxial" consiste en una red hexagonal de átomos de carbono unidos por enlaces sp2 de un solo átomo de espesor , como en el grafeno independiente. Sin embargo, se producen transferencias de carga significativas desde el sustrato al grafeno epitaxial y, en algunos casos, los orbitales d de los átomos del sustrato se hibridan con los orbitales π del grafeno, lo que altera significativamente la estructura electrónica del grafeno epitaxial.

Mediante TEM se observaron capas individuales de grafito en materiales a granel, en particular en el interior del hollín obtenido por exfoliación química. Los esfuerzos para producir películas delgadas de grafito mediante exfoliación mecánica comenzaron en 1990 [23] , pero antes de 2004 no se había producido nada más delgado que 50 a 100 capas.

Nombramiento

El término grafeno fue introducido en 1986 por los químicos Hanns-Peter Boehm , Ralph Setton y Eberhard Stumpp. Es una combinación de la palabra grafito y el sufijo -eno , que hace referencia a los hidrocarburos aromáticos policíclicos . [3] [4]

Descubrimiento

Los primeros intentos de fabricar películas de grafito de espesor atómico emplearon técnicas de exfoliación similares al método de dibujo. Se obtuvieron muestras multicapa de hasta 10 nm de espesor. Los investigadores anteriores intentaron aislar el grafeno a partir de compuestos intercalados, produciendo fragmentos de grafito muy finos (posiblemente monocapas). [20] Ninguna de las observaciones anteriores fue suficiente para iniciar la "fiebre del oro del grafeno" que aguardaba a las muestras macroscópicas de planos atómicos extraídos.

Una de las primeras patentes relacionadas con la producción de grafeno se presentó en octubre de 2002 y se concedió en 2006. [24] Detallaba uno de los primeros procesos de producción de grafeno a gran escala. Dos años más tarde, en 2004, Geim y Novoselov extrajeron cristales de un solo átomo de espesor del grafito a granel. [25] Extrajeron capas de grafeno del grafito y las transfirieron a una fina capa de dióxido de silicio ( SiO
2) sobre una oblea de silicio en un proceso llamado escisión micromecánica o técnica de cinta adhesiva . [26] El SiO
2aisló eléctricamente el grafeno e interactuó débilmente con él, lo que proporcionó capas de grafeno casi neutras en cuanto a carga. El silicio debajo del SiO
2Podría utilizarse como electrodo de "puerta trasera" para variar la densidad de carga del grafeno en un amplio rango. La patente estadounidense  6667100, presentada en 2002, describe cómo procesar el grafito expandido para lograr un espesor de grafito de una cienmilésima de pulgada (0,25 nm). La clave del éxito fue el reconocimiento visual de alto rendimiento del grafeno en un sustrato elegido adecuadamente que proporciona un contraste óptico pequeño pero perceptible.

La técnica de clivaje condujo directamente a la primera observación del efecto Hall cuántico anómalo en el grafeno, [13] [15] que proporcionó evidencia directa de la fase de Berry de fermiones de Dirac sin masa predicha teóricamente para el grafeno . El efecto fue informado por el grupo de Geim y por Kim y Zhang , cuyos artículos [13] [15] aparecieron en Nature en 2005. Antes de estos experimentos, otros investigadores habían buscado el efecto Hall cuántico [27] y los fermiones de Dirac [28] en grafito en masa.

Geim y Novoselov recibieron premios por su investigación pionera sobre el grafeno, en particular el Premio Nobel de Física de 2010. [29]

Comercialización

En 2014, se anunció que el Instituto Nacional de Grafeno apoyaría la investigación y el desarrollo aplicados en asociación con otras organizaciones de investigación y la industria. [30]

La comercialización del grafeno se produjo rápidamente una vez que se demostró su producción a escala comercial. En 2014, dos fabricantes comerciales del noreste de Inglaterra , Applied Graphene Materials [31] y Thomas Swan Limited [32] (con investigadores del Trinity College de Dublín), [33] comenzaron a fabricarlo. En East Anglia, Cambridge Nanosystems [34] [35] [36] opera una planta de producción de polvo de grafeno. En 2017, 13 años después de la creación del primer dispositivo electrónico de grafeno de laboratorio, Nanomedical Diagnostics en San Diego produjo comercialmente un chip electrónico de grafeno integrado y lo comercializó para investigadores farmacéuticos. [37]

Referencias

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  2. ^ Böhm, HP; Clauss, A.; Fischer, VAMOS; Hofmann, U. (1 de julio de 1962). "Das Adsorcionesverhalten sehr dünner Kohlenstoff-Folien". Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie . 316 (3–4): 119–127. doi :10.1002/zaac.19623160303. ISSN  1521-3749.}
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  5. ^ Geim, Alaska (2012). "Prehistoria del grafeno". Escritura física . T146 : 014003. Código bibliográfico : 2012PhST..146a4003G. doi : 10.1088/0031-8949/2012/T146/014003 .
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  21. ^ Este artículo informa sobre las láminas de grafito que dan un contraste adicional equivalente a ≈0,4 nm o 3 capas atómicas de carbono amorfo. Esta era la mejor resolución posible para los TEM de 1960. Sin embargo, ni entonces ni hoy es posible discutir cuántas capas había en esas láminas. Ahora sabemos que el contraste TEM del grafeno depende en gran medida de las condiciones de enfoque. [17] Por ejemplo, es imposible distinguir entre grafeno monocapa suspendido y grafeno multicapa por sus contrastes TEM, y la única forma conocida es analizar las intensidades relativas de varios puntos de difracción. [1]
  22. ^ Oshima, C.; Nagashima, A. (1997). "Películas epitaxiales ultradelgadas de grafito y nitruro de boro hexagonal sobre superficies sólidas". J. Phys.: Condens. Matter . 9 (1): 1–20. Bibcode :1997JPCM....9....1O. doi :10.1088/0953-8984/9/1/004.
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