Veinte años después del descubrimiento del grafeno, la investigación sobre este material ha evolucionado desde los laboratorios hasta las producciones a gran escala y las aplicaciones comerciales. El grafeno es conocido por su amplitud de propiedades, incluida una conductividad eléctrica hasta un 70% mayor que la del cobre, una conductividad térmica a temperatura ambiente que es más del doble que la del grafito pirolítico y una resistencia que es 200 veces mayor que la del acero (con una sexta parte del peso).
Estos atributos hacen que el grafeno y sus derivados sean ideales para una gran variedad de usos, incluidos los usos electrónicos, estructurales y biomédicos. Sin embargo, aún quedan por concretarse aplicaciones industriales más amplias del grafeno.
El nuevo material exhibe propiedades intrigantes tales como el efecto de campo eléctrico ambipolar, una capacidad de cambiar entre cargas positivas y negativas al aplicar un voltaje de compuerta. También presenta la capacidad de movilidades de portadores a alta temperatura ambiente, que están asociadas con la velocidad a la que un electrón o un agujero se mueven a través de un material. Estas propiedades hacen que el grafeno sea prometedor para aplicaciones electrónicas.
El enfoque inicial de la investigación y comercialización del grafeno se ha centrado en sus derivados, como las nanoplaquetas de grafeno (partículas bidimensionales hechas de láminas apiladas), los óxidos de grafeno con grupos funcionales de oxígeno y los óxidos de grafeno reducidos en los que se eliminan los grupos de oxígeno.
Por ejemplo, las nanoplaquetas de grafeno se han utilizado en recubrimientos anticorrosión, retardantes de fuego y materiales de blindaje electromagnético, que están todos cerca de comercializarse. Además, la conductividad suficientemente alta, la estabilidad electroquímica y la estructura porosa le dan a los derivados del grafeno el potencial de ser utilizados para dispositivos de almacenamiento y conversión de energía.
La aplicación industrial del grafeno continuo de alta calidad todavía está en la etapa rudimentaria. Los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos requieren la síntesis de películas de grafeno monocapa o multicapa uniformes a gran escala con movilidades de portadores suficientemente altas (generalmente superiores a 10 000 cm 2 /Vs).
Avances clave desde el descubrimiento del grafeno
El grafeno ha demostrado ser prometedor en numerosos sectores industriales debido a sus exóticas propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas. Los marcadores de colores representan aspectos clave que deben priorizarse para la comercialización de cada grupo. Muchas aplicaciones aún se encuentran en la etapa de desarrollo, en la que es necesario seguir mejorando el rendimiento.
Desde la perspectiva de las aplicaciones electrónicas, la compatibilidad del grafeno por deposición química en fase de vapor con las instalaciones y técnicas de microfabricación existentes para las tecnologías de semiconductores complementarios de óxido metálico basadas en silicio es fundamental. Desafortunadamente, el crecimiento conforme del grafeno sobre sustratos de silicio/dióxido de silicio es difícil debido a la formación de impurezas, como carburos, durante el proceso de crecimiento. Además, los sustratos de silicio amorfo no pueden descomponer los precursores que contienen carbono, lo que da como resultado una alta densidad de defectos en las películas de grafeno. La capacidad catalítica se ha mejorado mediante la introducción de catalizadores metálicos en fase gaseosa, pero la optimización del parámetro de crecimiento para la producción a gran escala de grafeno sobre sustratos de silicio sigue siendo un desafío.
Se han desarrollado muchas estrategias para suprimir las imperfecciones inducidas por la transferencia y mejorar la integración dieléctrica. Controlar las fuerzas de delaminación y laminación y evitar implantar impurezas traza en la superficie han ayudado a mitigar los defectos. Las tecnologías de silicio actuales también dan pistas sobre cómo crear estos procesos. Por ejemplo, se ha adoptado un proceso de unión de obleas convencional para unir directamente el grafeno cultivado en sustratos de cobre sobre un sustrato deseado con una capa adhesiva entre ellos seguido de la eliminación de la capa de cobre mediante grabado químico.
Un desafío importante en la comercialización del grafeno y sus derivados es el alto costo de producción para el volumen de producción limitado. Las materias primas, como el gas metano o los polvos de grafito en bruto, solo representan una pequeña proporción del costo total. En cambio, los diseños de equipos para la producción y el procesamiento en lotes a gran escala del grafeno sintetizado representan la mayor parte de la inversión inicial. Por lo tanto, la industria se dirige hacia aplicaciones de alto margen que requieren menos inversión para una mejora sustancial del rendimiento con respecto a los productos existentes.
Esto ha llevado a una comercialización más rápida de los derivados del grafeno para varios componentes estructurales en comparación con las películas de grafeno de alta calidad para dispositivos. Por ejemplo, el grafeno en películas conductoras transparentes se ha visto obstaculizado por su alto costo de producción en comparación con el óxido de indio y estaño convencional. Incluso los derivados del grafeno que ya se han comercializado o están cerca de aplicaciones comerciales deben desarrollarse más para reducir el costo.
Todavía existe una brecha importante entre lo descubierto en laboratorio y las demandas de la industria. Se requiere una colaboración más estrecha para reducir esta brecha. En particular, un sistema integral de estándares debería incluir calificaciones relacionadas con la aplicación para orientar los productos y su entrada en mercados específicos, como propiedades específicas para funciones específicas y metodologías de medición correspondientes. Estos estándares deberían redactarse mediante colaboraciones entre investigadores, empresas de fabricación y empresas de aplicaciones.
