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Hacer que las nanomáquinas de grafeno sean prácticas
Muchos de los productos electrónicos de consumo actuales se basan en máquinas microscópicas. Estos diminutos dispositivos se encuentran en los sensores de movimiento de los teléfonos inteligentes, los cabezales de impresión de inyección de tinta y los interruptores que activan algunos píxeles de la pantalla, por nombrar solo algunos componentes.
Fabricación de máquinas: Una hoja transparente de grafeno se extiende sobre la superficie de esta oblea de silicio. El grafeno puede oscilar sobre los agujeros en el silicio debajo, actuando como un dispositivo nanomecánico llamado resonador.
Reducir estas máquinas electromecánicas a la nanoescala permitiría nuevos dispositivos, como sensores químicos extremadamente sensibles, acelerómetros increíblemente precisos e interruptores de circuitos integrados súper rápidos. En un paso importante hacia este objetivo, los investigadores de la Universidad de Cornell han creado grandes conjuntos de resonadores a nanoescala utilizando grafeno.
Una forma de carbono delgada como un átomo llamada grafeno se encuentra entre los materiales más prometedores para fabricar sistemas nanoelectromecánicos (NEMS). El grafeno es el material conocido más fuerte y el más conductor de electricidad. El tamaño delgado de un átomo del grafeno significa que también es increíblemente liviano y puede moverse muy rápido. Profesor de física de Cornell Paul McEuen dice que el grafeno se puede utilizar para construir una gran cantidad de nanodispositivos con equipos desarrollados para grabar chips de silicio en obleas planas. Pero construir nanomáquinas mecánicas a partir de grafeno es un desafío, y la mayoría de los dispositivos creados hasta ahora han sido únicos.
McEuen y su compañero profesor de Cornell Harold Craighead ahora han demostrado que pueden fabricar nanodispositivos de grafeno llamados resonadores en la superficie de una oblea de silicio. Cada resonador está hecho de una película de grafeno que oscila hacia adelante y hacia atrás, como un trampolín que se mueve hacia arriba y hacia abajo, en respuesta a una fuerza mecánica aplicada a su superficie o a un campo eléctrico.
El grupo de Cornell primero grabó trincheras en la superficie de una oblea de silicio. Luego cubrieron la oblea con una película de grafeno sobre cobre. El grafeno se adhiere a la superficie de la oblea de silicio como lo haría una envoltura de plástico. Los investigadores finalmente agregan contactos eléctricos al grafeno para completar los resonadores. El trabajo se describe en línea en la revista. Nano letras .
Estamos fabricando una gran cantidad de resonadores idénticos, lo que demuestra una transición de un experimento de laboratorio a una tecnología, dice McEuen. Los nanoresonadores anteriores fabricados a esta escala eran mucho más gruesos y menos sensibles, o tenían que fabricarse uno a la vez. Los dos principales obstáculos en la implementación de nanodispositivos son la ampliación y la reproducibilidad en el rendimiento, dice Alex Zettl , profesor de física en la Universidad de California, Berkeley. Zettl ha fabricado dispositivos similares a partir de nanotubos de carbono, incluida una radio hecha de un solo nanotubo de carbono. El uso de grafeno de una sola capa permite fabricar muchos dispositivos de una sola vez, con un rendimiento similar, dice Zettl.
Los nanoresonadores de grafeno podrían producir acelerómetros o detectores químicos muy sensibles. Las películas de grafeno suspendidas responden de manera espectacular cuando se agrega cualquier peso, incluso solo una molécula o un átomo. Se acopla muy fuertemente al mundo exterior, lo que lo convierte en un buen sensor, dice McEuen.
Rod Ruoff , profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Texas en Austin, quien fue pionero en la técnica de crecimiento y transferencia de grafeno utilizada por el grupo de Cornell, dice que este trabajo demuestra que este tipo de grafeno funciona bien en sistemas nanomecánicos. Pero Ruoff dice que ve margen de mejora en el rendimiento de los resonadores.
Los investigadores de Cornell ahora están trabajando para llevar los resonadores de grafeno a sus límites máximos de rendimiento. La estructura cristalina del grafeno, que determina su fuerza y conductividad eléctrica, no es perfecta en los dispositivos de Cornell fabricados hasta ahora.
Los investigadores también esperan aprovechar los efectos cuánticos que ocurren a nanoescala. Esto podría mejorar su sensibilidad, dice McEuen.