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ELECTROMAGNETISMO y ESTADO SÓLIDO II EL GRAFENO, SUCESOR DEL SILICIO Profesores: Enrique Cingolani, Carlos Valhonrat Alumno: Gastón Caino.

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1 ELECTROMAGNETISMO y ESTADO SÓLIDO II EL GRAFENO, SUCESOR DEL SILICIO Profesores: Enrique Cingolani, Carlos Valhonrat Alumno: Gastón Caino

2 EL GRAFENO, SUCESOR DEL SILICIO EESII 2011 Alumno: Gastón Caino ¿QUE ES EL GRAFENO? ¿QUÉ LO HACE IMPORTANTE? ESTADO DEL ARTE 2

3 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino Es una alotropía del carbono. El carbono es un elemento químico de número atómico 6. 3 Forma el 0,2 % de la corteza terrestre.

4 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino El carbono se presenta como: 4 DiamanteGrafito Lonsdaleita Hulla, Coque

5 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino El carbono se presenta como: 5

6 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino Su enlace químico y su estructura se describieron durante la década de 1930, la estructura de bandas electrónicas fue calculada por primera vez por Philip Russell Wallace en En el 2004 fue aislado por primera vez, en la Universidad de Mánchester

7 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 7 Premio Nobel de Física de 2010 por sus revolucionarios descubrimientos sobre el grafeno. Andréy Gueim Y Konstantín Novosiolov

8 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 8 Despegando del grafito repetidamente capas con la cinta adhesiva obtuvieron láminas de grafeno.

9 ¿QUÉ LO HACE IMPORTANTE? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 9 Autoenfriamiento. Alta conductividad térmica y eléctrica. Alta elasticidad y dureza. Resistencia (200 veces mayor que la del acero). Soporta la radiación ionizante. Es muy ligero, como la fibra de carbono. Menor efecto Joule ; se calienta menos al conducir los electrones. Propiedades:

10 ¿QUÉ LO HACE IMPORTANTE? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 10 Consume menos electricidad que el silicio. Los electrones se comportan como cuasipartículas sin masa. Son los llamados fermiones de Dirac. Se mueven a una velocidad constante independientemente de su energía, en este caso a unos 106 m/s. Propiedades:

11 ¿QUÉ LO HACE IMPORTANTE? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 11 Es casi transparente. Muy denso, ni siquiera el átomo de helio, puede atravesarlo. Reacciona químicamente, cambiando sus propiedades. Tiene una alta movilidad de portadores. Tiene un bajo nivel de ruido. Propiedades:

12 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 12 El grafeno presenta un efecto llamado efecto Hall cuántico, por el cual la conductividad perpendicular a la corriente toma valores discretos, o cuantizados. Eso implica que la conductividad del grafeno nunca puede ser cero (su valor mínimo depende de la constante de Planck y la carga del electrón). Propiedades:

13 ¿QUE ES EL GRAFENO? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 13 Uno de los problemas de los FET de grafeno era la ausencia de un band gap, conduce incluso si el voltaje en la puerta es cero. Esta brecha de banda se puede crear poniendo dos láminas de grafeno y aplicando un campo eléctrico.

14 ¿QUÉ LO HACE IMPORTANTE? EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 14 La banda de valencia y de conducción son, en efecto cónica en un punto, sin espacio de banda. La introducción de un campo eléctrico perpendicular a las capas crea un espacio de banda.

15 ESTADO DEL ARTE EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 15 El grafeno tiene el potencial para hacer transistores que sean capaces de funcionar a velocidades de los Terahertz

16 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 16 Diodo de grafeno ESTADO DEL ARTE El Department of Electrical Engineering, University of Southern California, fabricó este diodo Schottky hecho con el depósito de grafeno en la parte superior de los sustratos de silicio (abril 2011).

17 ESTADO DEL ARTE EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 17 Transistor de efecto de campo de grafeno (el transistor G-FET o Graphene Field- Effect Transistor)

18 ESTADO DEL ARTE EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 18 El profesor Xiangfeng Duan (UCLA) ha logrado desarrollar un transistor de grafeno con una frecuencia de hasta 300 GHz, superiores a los logrados por el arseniuro de galio o el fosfuro de indio hasta ahora.

19 ESTADO DEL ARTE EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 19 Investigadores del estado de Penn desarrollaron grafeno en obleas de 100 milímetros Usaron sublimación térmica de silicona que elimina el silicio a partir de obleas de carburo de silicio.

20 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 20 ¿Cómo se obtiene grafeno dopado? Al calentar el grafeno en una atmósfera con amoniaco, el nitrógeno se pega al borde del grafeno convirtiéndolo en un dador de electrones (tipo n). A temperatura ambiente el grafeno adsorbe moléculas receptoras de electrones (tipo p). ESTADO DEL ARTE

21 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 21. ESTADO DEL ARTE

22 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 22 Aplicando calor (130°C) en áreas concretas del óxido de grafeno hemos construido nanocables con dimensiones hasta 12 nanómetros, incluso podemos hacerlo cuatro veces más conductor. ", Elisa Riedo, profesora en la Escuela de Física en el Instituto de Tecnología de Georgia ESTADO DEL ARTE

23 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino El primer circuito integrado de grafeno ESTADO DEL ARTE IBM fabricó el primer circuito integrado con transistores de grafeno que funciona a 10 giga hertzios y hasta 125 ºC. 23

24 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 24 El circuito integrado de IBM ESTADO DEL ARTE

25 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 25 Modulador óptico de grafeno. Una capa se coloca en la parte superior de una guía de onda de silicio (azul). Las señales eléctricas se envían desde el lado del grafeno para alterar la cantidad de fotones que absorbe el grafeno ESTADO DEL ARTE Universidad de Berkeley

26 ESTADO DEL ARTE EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 26 Una compuerta lógica CNTFET de IBM

27 ESTADO DEL ARTE EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 27 Circuito Integrado con 12 CNTFETs (oscilador de anillo)de IBM Longitud del CNT =18nm Diámetro del CNT =1nm

28 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 28 ESTADO DEL ARTE Rodney Ruoff de la Universidad de Texas, hizo crecer cuadrados de grafeno, de 1 cm, sobre láminas de cobre.

29 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 29 ESTADO DEL ARTE Jong-Hyun Ahn y Byung Hee Hong de la Universidad Sungkyunkwan, Corea del sur, depositaron grafeno sobre grandes láminas de cobre, añadieron un adhesivo sobre el grafeno y disolvieron el cobre. Al despegar el adhesivo obtuvieron una gran monocapa de grafeno.

30 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 30 La película permite el paso del 90% de la luz ESTADO DEL ARTE polyethylene terephthalate (PET)

31 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 31 La primera pantalla touch de grafeno. ESTADO DEL ARTE

32 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 32 Samsung, junto a la Universidad Sungkyunkwan, sacará el año que viene las primeras pantallas enrollables, táctiles con circuitos de grafeno ESTADO DEL ARTE

33 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 33 Investigadores de la Universidad Northern Illinois (NIU) produjeron altos rendimientos de grafeno por la quema de magnesio metálico puro en hielo seco. Este método es simple, verde y rentable. ESTADO DEL ARTE

34 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 34 Método de Kosynkin ESTADO DEL ARTE Método de Jiao Desenrollando nanotubos.

35 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 35 Simulaciones por ordenador muestran un nuevo tipo de grafeno semiconductor con una estructura de octógonos, hexágonos y pentágonos ESTADO DEL ARTE

36 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 36 Grafeno en Argentina En nuestro país el investigador Luis Foa Torres (32) Dr. en Física, investigador adjunto del Instituto de Física Enrique Gaviola (CONICET) y profesor adjunto de la FaMAF, en la Universidad Nacional de Córdoba, nos dice Nuestro trabajo se centra principalmente en el estudio de las propiedades eléctricas de materiales nanoestructurados, notablemente materiales basados en carbono como los nanotubos de carbono y el grafeno. Mis experiencias con estos materiales se remontan al 2005 cuando trabajaba para la Comisión de Energía Atómica de Grenoble (Francia), luego en Dresden (Alemania) y posteriormente aquí en Córdoba, donde desde el 2009 trabajo junto a un pequeño equipo de investigadores. ESTADO DEL ARTE

37 Bibliografía EESII 2011 Alumno: Gastón Caino Xinran Wang et al. N-Doping of Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonia, Science, 324: , 8 May 2009N-Doping of Graphene Through Electrothermal Reactions with Ammonia David J. Appelhans, Zhibin Lin, Mark T. Lusk, A Semiconducting Graphene Allotrope, ArXiv, 19 Mar 2010.A Semiconducting Graphene Allotrope Condensed-matter physics: Dirac electrons broken to pieces, News & Views, Nature 462: , 12 Nov. 2009, que se hace eco de los artículos técnicos de Xu Du, Ivan Skachko, Fabian Duerr, Adina Luican, Eva Y. Andrei, Fractional quantum Hall effect and insulating phase of Dirac electrons in graphene, Nature 462: , 12 Nov. 2009, y Kirill I. Bolotin, Fereshte Ghahari, Michael D. Shulman, Horst L. Stormer, Philip Kim,Observation of the fractional quantum Hall effect in graphene, Nature 462: , 12 Nov Condensed-matter physics: Dirac electrons broken to piecesFractional quantum Hall effect and insulating phase of Dirac electrons in grapheneObservation of the fractional quantum Hall effect in graphene Fengnian Xia*, Damon B. Farmer, Yu-ming Lin and Phaedon Avouris IBM Thomas J. Watson Research Center, Yorktown Heights, New York Nano Lett., 2010, 10 (2), pp 715–718* comunicaciones-ultrarrapidas/ Charge neutrality and band-gap tuning of epitaxial graphene on SiC by molecular doping. Physical Review B, 81, (2010) DOI: /PhysRevB /PhysRevB Nanoscale Tunable Reduction of Graphene Oxide for Graphene Electronics. Science, Vol no. 5984, pp DOI: /science /science

38 Bibliografía EESII 2011 Alumno: Gastón Caino High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate, Nature 467: 305–308, 16 September 2010High-speed graphene transistors with a self-aligned nanowire gate Sobre la pista del grafeno en Argentina: efectos electromecánicos en la nanoescala F.J. García Sánchez Seminario en Nanoelectrónica y Diseño Avanzado, INAOE, Puebla, México, Sept

39 EESII 2011 Alumno: Gastón Caino 39 GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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