Grafeno: la sensación de un nuevo mundo

Pocos materiales han inspirado tantos titulares hiperbólicos en los campos científico e industrial durante los últimos 20 años como el grafeno. A finales del siglo XX, aunque los científicos ya conocían la existencia de este material cristalino bidimensional de un solo átomo de grosor, nadie había logrado extraerlo del grafito. Luego, en octubre de 2004, dos investigadores de la Universidad de Mánchester, los profesores Sir Andre Geim y Sir Konstantin Novoselov, finalmente hicieron un gran avance con un artículo titulado "El efecto del campo eléctrico en películas de carbono atómicamente delgadas". Su trabajo posterior les valió el Premio Nobel de Física en 2010.

Desde entonces, la Universidad de Mánchester ha liderado la investigación y el desarrollo del grafeno. Se han publicado miles de artículos científicos, y se han propuesto numerosos productos y aplicaciones, que van desde supercomputadoras y dispositivos electrónicos ultrarrápidos hasta materiales ultrarresistentes. Aunque algunas de las posibilidades más fantásticas aún no se han materializado, parece haber pocas dudas de que su influencia en el sector de los semiconductores seguirá creciendo, mientras las industrias buscan dispositivos electrónicos cada vez más rápidos, eficientes y compactos. Más de 50 millones de productos mejorados con grafeno ya están en el mercado, proporcionando soluciones para productos tan diversos como automóviles, filtros de agua, paneles solares, aviones, satélites y zapatillas para correr.

Pero, ¿qué tiene el grafeno que ha generado tanto entusiasmo y qué lo hace una alternativa superior al silicio en el contexto de los semiconductores?

Material del futuro

Además de ser el material más delgado del mundo, lo que hace destacar al grafeno es su fenomenal movilidad electrónica, casi 500 veces mayor que la del silicio. Debido a que los electrones pueden moverse rápidamente a través de su estructura cristalina en forma de panal, el grafeno ofrece un rendimiento más rápido en dispositivos y una mejor conductividad eléctrica.

En el ámbito de los semiconductores, además de los posibles avances en la velocidad de los dispositivos, el uso del grafeno (y otros materiales bidimensionales) muestra también un gran potencial para la electrónica flexible, gracias a su grosor atómico combinado con una alta estabilidad mecánica y flexibilidad. El grafeno también es un excelente conductor térmico, lo que puede ser beneficioso al buscar miniaturizar aún más las estructuras de los dispositivos.

En la actualidad, el profesor Geim trabaja en el Instituto Nacional del Grafeno (NGI, por sus siglas en inglés) de la Universidad de Mánchester. Fundado para impulsar investigaciones de vanguardia sobre el grafeno y materiales bidimensionales relacionados, el NGI se ha convertido en un centro global para descubrimientos innovadores. Junto al NGI, el Centro de Innovación en Ingeniería del Grafeno (GEIC, por sus siglas en inglés) desempeña un papel fundamental al cerrar la brecha entre la investigación académica y la aplicación industrial, fomentando la colaboración con más de 400 empresas en todo el mundo.

Desde su creación, el GEIC ha facilitado el desarrollo de más de 500 proyectos mejorados con grafeno, que van desde compuestos avanzados hasta sensores de próxima generación. Estas innovaciones son el resultado de asociaciones estratégicas y proyectos diseñados para traducir las extraordinarias propiedades del grafeno en soluciones del mundo real. En conjunto, el NGI y el GEIC han ayudado a lanzar más de 60 empresas derivadas y han asegurado inversiones significativas, consolidando la reputación de Mánchester como "el hogar del grafeno".

Andrew Strudwick, gerente de aplicaciones para CVD e impresión en el GEIC, explica en una entrevista con Evertiq cómo su equipo apoya estos avances:

"En el GEIC, ofrecemos a las empresas las herramientas, la experiencia y un entorno colaborativo necesarios para explorar el potencial del grafeno. Nuestro equipo trabaja en estrecha colaboración con socios industriales para prototipar y escalar tecnologías de próxima generación, asegurando que el grafeno pase sin problemas del laboratorio a aplicaciones comerciales de impacto. Este enfoque está ayudando a moldear el futuro de la electrónica, la energía y la ciencia de materiales."

Respaldo de la UE

En Suecia, se estableció la iniciativa Graphene Flagship con objetivos similares a los del GEIC, incluyendo la línea piloto de materiales 2D, y ha logrado demostrar el valor de este material único. Esta iniciativa de investigación científica de la Unión Europea se lanzó en 2013 con un presupuesto de alrededor de 1.000 millones de euros y colabora con más de 100 empresas y socios académicos en campos que van desde la automoción y la aviación hasta la electrónica, la energía, los compuestos y la biomedicina.

“El proyecto se basa en los fundamentos de los proyectos Graphene Flagship Core 3 y 2D-EPL,” explica Inge Asselberghs, directora de 2D-EPL y oficial de Ciencia y Tecnología de Graphene Flagship, en una entrevista con Evertiq. “En el 2D-EPL, el consorcio se centró en dos clases de materiales, el grafeno y los TMDC (MoS2/WS2). Aprovechando las herramientas disponibles en el consorcio y utilizando el nuevo equipamiento, se permitió que los módulos de crecimiento y transferencia maduraran de manera significativa. Junto con las nuevas inversiones planificadas en el próximo proyecto 2D-PL, el objetivo es seguir avanzando en los procesos de fabricación”.

Se dice que la organización ha impulsado las carreras de aproximadamente 1.000 estudiantes de doctorado y posdoctorado, y ha creado 20 empresas derivadas que han recaudado más de 170 millones de euros en capital de riesgo, presentado más de 80 patentes y llevado al mercado más de 100 productos. Según un informe del instituto de investigación WifOR, Graphene Flagship habrá generado una contribución total al PIB de 3.800 millones de euros y 38.400 nuevos empleos en los 27 países de la UE entre 2014 y 2030.

Un mundo de potencial

En el ámbito de los semiconductores, los principales usos del grafeno hasta la fecha están relacionados con sensores, principalmente para la detección de gases o con fines de biosensado. Más allá de los sensores y transistores, su alta conductividad eléctrica y resistencia a la electromigración lo convierten en un material ideal para las interconexiones de circuitos, reduciendo la pérdida de energía y mejorando el rendimiento. Desde teléfonos inteligentes plegables hasta tecnología portátil, la flexibilidad y resistencia del grafeno están abriendo nuevas posibilidades en la electrónica de consumo.

Otra aplicación destacada se encuentra en el campo de la fotónica. La interacción del grafeno con la luz impulsa la innovación en fotodetectores, moduladores y otros dispositivos fotónicos, esenciales para las redes de comunicación de próxima generación.

El desafío de la brecha de banda

El llamado "material maravilla" no está exento de desafíos, siendo el principal de ellos la denominada "brecha de banda".

En esencia, las brechas de banda son barreras de energía para el movimiento de electrones generados dentro de estructuras cristalinas debido a las simetrías presentes. En el silicio, esta barrera de energía debe superarse aplicando un voltaje a través del transistor para que los electrones puedan fluir. Por lo tanto, el dispositivo está “encendido” cuando los electrones fluyen y “apagado” cuando no lo hacen, un comportamiento típico de un semiconductor.

El grafeno, sin embargo, se comporta más como un semimetal que como un semiconductor. La barrera de energía que impide que los electrones se muevan en ausencia de un voltaje externo no está presente. Por ello, no es posible "apagar" completamente el dispositivo, lo que conlleva problemas relacionados con un mayor consumo de energía.

A lo largo de los años se ha realizado un gran trabajo para encontrar una solución a este problema, como confinar el grafeno en nanocintas y utilizar geometrías alternativas en los dispositivos. Otro avance potencialmente importante podría provenir de un trabajo reciente realizado en la Universidad de Tianjin, donde investigadores han demostrado una forma de formar un material de grafeno sobre un sustrato de carburo de silicio que utiliza la interacción en la interfaz de los dos materiales para generar una brecha de banda en la película resultante.

Otro obstáculo importante es la escalabilidad y la integración del grafeno con los procesos existentes de fabricación de semiconductores. Sin embargo, también se han logrado avances considerables en este ámbito, especialmente a través de iniciativas como la 2D-Pilot Line, que buscan madurar las tecnologías basadas en grafeno para uso industrial y ofrecen servicios de prototipado para cerrar la brecha entre la investigación y la aplicación.

Empresas como Paragraf y Graphenea están entre las muchas que producen transistores y sensores basados en grafeno para pruebas comerciales, aunque, según Inge Asselberghs de Graphene Flagship, todavía queda camino por recorrer en este campo. “La ingeniería de la brecha de banda en el grafeno es un desafío y requiere un control preciso del proceso. Aunque existen ejemplos prometedores en la literatura, es esencial considerar de manera significativa la escalabilidad y la capacidad de control”, señala.

¿Hype justificable?

Hace 20 años se hicieron todo tipo de afirmaciones sobre el potencial del grafeno, algunas más realistas que otras, incluso en ese entonces. Aún hay obstáculos por superar, pero Inge Asselberghs está segura de que aún queda mucho por venir, como le dijo a Evertiq:

“Al principio de Graphene Flagship, la gente incluso era escéptica sobre si el grafeno de calidad podría crecer de manera confiable a escala de cm². Hoy en día, ya hemos avanzado mucho más allá de eso. Las inversiones realizadas en el procesamiento a nivel de obleas y en la fabricación de los demostradores relevantes son los cimientos para la evaluación de dispositivos de sensores, fotónica y electrónica,” señala. En el campo de los semiconductores, sólo en cuanto a rendimiento y miniaturización, el grafeno destaca como un material clave para impulsar la innovación y proporciona muchas razones para el optimismo.

Tal vez, como afirman muchos investigadores, “La revolución del grafeno apenas ha comenzado.”

¿Te gustan este tipo de análisis? Suscríbete a nuestro boletín y recibe las últimas novedades en el mundo de los semiconductores.