El grafeno ha sido aclamado como el «material maravilla del siglo XXI» desde su descubrimiento en 2004. Este material, compuesto por una sola capa de átomos de carbono, posee propiedades únicas como una conductividad eléctrica ultra alta y una resistencia a la tracción notable. Estas características le confieren un potencial transformador en áreas como la electrónica, el almacenamiento de energía, los sensores y los dispositivos biomédicos. Sin embargo, hasta ahora, el grafeno ha tenido un problema: su pureza.

Ingenieros de la Universidad de Columbia, en colaboración con la Universidad de Montreal y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, han desarrollado un método innovador para producir grafeno de alta calidad a escala. Publicado en la revista Nature, su trabajo demuestra cómo la eliminación de trazas de oxígeno del proceso de crecimiento es crucial para lograr una síntesis reproducible y de alta calidad de grafeno mediante deposición química de vapor (CVD).

James Hone, profesor de Ingeniería Mecánica en Columbia, comentó: “Mostrar que eliminar virtualmente todo el oxígeno del proceso de crecimiento es la clave para lograr una síntesis de CVD de grafeno reproducible y de alta calidad es un hito hacia la producción a gran escala de grafeno”.

Métodos tradicionales de síntesis del grafeno

Históricamente, el grafeno se ha sintetizado de dos maneras principales. El método de la «cinta adhesiva» implica despegar capas individuales de una muestra de grafito usando cinta adhesiva doméstica. Aunque estas muestras exfoliadas pueden ser bastante limpias y libres de impurezas, su tamaño es demasiado pequeño para aplicaciones industriales, siendo más adecuadas para la investigación en laboratorio.

Para superar esta limitación, hace unos 15 años se desarrolló un método para sintetizar grafeno de gran área. Este proceso, conocido como crecimiento CVD, consiste en pasar un gas que contiene carbono, como el metano, sobre una superficie de cobre a una temperatura lo suficientemente alta (alrededor de 1000 °C) como para que el metano se descomponga y los átomos de carbono se reorganicen formando una sola capa de grafeno con estructura de panal. Aunque el crecimiento CVD puede ampliarse para crear muestras de grafeno de varios centímetros o incluso metros, estos experimentos han tenido problemas de reproducibilidad y calidad variable.

El papel del oxígeno en la calidad del grafeno

Los problemas de calidad en el grafeno sintetizado por CVD se debían a la presencia de oxígeno. Investigaciones previas realizadas por los coautores Richard Martel y Pierre Levesque en Montreal habían demostrado que pequeñas cantidades de oxígeno pueden ralentizar el proceso de crecimiento e incluso eliminar el grafeno. Por ello, hace unos seis años, Christopher DiMarco diseñó y construyó un sistema de crecimiento CVD en el que la cantidad de oxígeno introducida durante el proceso de deposición podía controlarse cuidadosamente.

Resultados y avances recientes

Los actuales estudiantes de doctorado Xingzhou Yan y Jacob Amontree continuaron el trabajo de DiMarco y mejoraron aún más el sistema de crecimiento. Descubrieron que al eliminar el oxígeno, el crecimiento del grafeno mediante CVD era mucho más rápido y reproducible. Además, estudiaron la cinética del crecimiento de grafeno sin oxígeno y encontraron que un modelo simple podía predecir la tasa de crecimiento en función de diferentes parámetros, como la presión del gas y la temperatura.

La calidad de las muestras de grafeno obtenidas mediante OF-CVD (deposición química de vapor sin oxígeno) resultó ser prácticamente idéntica a la del grafeno exfoliado. En colaboración con colegas del departamento de física de Columbia, su grafeno mostró evidencias sorprendentes del efecto Hall cuántico fraccionario bajo campos magnéticos, un fenómeno cuántico que solo se había observado anteriormente en sistemas eléctricos bidimensionales de ultra alta calidad.

Perspectivas futuras

El siguiente paso para el equipo es desarrollar un método para transferir el grafeno de alta calidad desde el catalizador de crecimiento metálico a otros sustratos funcionales, como el silicio. Este es el último eslabón para aprovechar completamente este material maravilloso.

Amontree y Yan compartieron: “Ambos nos fascinamos con el grafeno y su potencial cuando éramos estudiantes de grado. Realizamos innumerables experimentos y sintetizamos miles de muestras durante los últimos cuatro años de nuestros doctorados. Ver que este estudio finalmente se materializa es un sueño hecho realidad”.

Reflexiones adicionales

El avance en la producción de grafeno de alta calidad mediante el método OF-CVD abre nuevas posibilidades para su aplicación en diversas industrias. La capacidad de producir grafeno puro y reproducible a gran escala no solo facilita su integración en tecnologías existentes, sino que también puede impulsar innovaciones en campos emergentes. La limpieza del grafeno, al eliminar el oxígeno, no solo mejora sus propiedades inherentes sino que también garantiza que los dispositivos fabricados con este material tengan un rendimiento superior y una mayor durabilidad.

El grafeno, con sus propiedades extraordinarias, promete revolucionar áreas tan diversas como la electrónica, la energía y la biomedicina. Este nuevo método de síntesis representa un paso significativo hacia la realización de ese potencial, permitiendo que la producción de grafeno sea más eficiente y accesible para aplicaciones comerciales.