Por Xabier Martínez de Irujo
Como todos sabemos, el grafeno es uno de los materiales que más se
están investigando actualmente por sus atípicas propiedades. Este
material ha adquirido gran importancia durante los últimos años pero fue
descrito por primera vez en la década de 1930. En 2010, Andre Geim y Konstantin Novoselov recibieron el premio Nobel de física por sus trabajos innovadores sobre el grafeno. Os puede resultar interesante el primer artículo conjunto de ambos investigadores sobre el grafeno.
La estructura de este material es una lámina bidimensional de átomos
de carbono. Se considera bidimensional ya que sólo tiene un átomo de
espesor. “El grafeno es el único material con un único átomo de espesor
que puede ser sintetizado y estudiado en detalle” y de ahí el auge en su
investigación. Las propiedades de materiales de este tamaño
(nanoscópico) no pueden equipararse con las de átomos o moléculas
individuales ni con las de materiales macroscópicos. El grafeno presenta
inusuales propiedades mecánicas, electrónicas y ópticas . En este post,
únicamente se van a explicar las propiedades eléctricas en el grafeno.
En cuanto a las propiedades eléctricas de un material, éste se
clasifica como conductor o aislante dependiendo de si los electrones se
mueven en su interior o no, al aplicar un campo eléctrico. Las
propiedades aislantes o conductoras vienen determinadas por la posición
del nivel de Fermi y la estructura de bandas electrónicas. El nivel de
Fermi es el nivel de energía máximo de ocupación por electrones en un
sólido. La estructura de bandas surge de un modelo cuántico, que no
vamos a explicar. Para comprender la conducción únicamente es necesario
saber que existen dos tipos de bandas: las bandas de valencia
(paraboloide inferior) y las bandas de conducción (paraboloide
superior).
En el caso de los metales, el nivel de Fermi se encuentra en la banda
de conducción permitiendo que los electrones se muevan libremente, lo
cual, permite la conducción por electrones. En el caso de aislantes y
semiconductores, el nivel de Fermi se sitúa en la separación denominada
gap de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción. Para
los aislantes este gap de energía es ancho y los semiconductores
presentan un gap más estrecho que permite que los electrones pasen a la
banda de conducción, si se aporta energía. Este paso de electrones a la
banda superior permite que ambas bandas queden semiocupadas. Al igual
que en los metales, la presencia de la banda de conducción parcialmente
llena permite la conducción por electrones. Pero, en los
semiconductores, también la banda de valencia se encuentra parcialmente
vacía. Ese vacío se entiende como partículas cargadas positivamente
denominadas huecos que pueden moverse por la banda de valencia dando
lugar a conducción por huecos.
Sin embargo, la estructura de bandas del grafeno es totalmente
distinta. Las bandas de valencia y conducción no son paraboloides sino
conos (conocidos como conos de Dirac) unidos por un punto. Además el
nivel de Fermi se sitúa en este punto de unión (Punto de Dirac). Esta
estructura de bandas permite al grafeno integrar lo mejor de los metales
y los semiconductores. Por un lado, no presenta gap de energía como los
metales, lo cual, permite que los electrones situados por debajo del
nivel de Fermi pasen a niveles superiores. Por otro lado, al igual que
los semiconductores, presenta los dos tipos de portadores: electrones y
huecos. Podemos tener una conducción por electrones al llenarse
parcialmente el cono superior y una conducción por huecos al vaciarse
parcialmente el cono inferior.
Otra característica importante al estudiar las propiedades eléctricas
de los materiales es la velocidad de los portadores. Sabemos que existe
una relación inversa entre la velocidad de los portadores y un
parámetro conocido como masa efectiva. En los metales, a los electrones
se les asocia una masa efectiva (distinta de la masa real del electrón)
que tiene en cuenta la interacción electrostática con los núcleos
iónicos del material. La citada masa efectiva está relacionada con la
curvatura de las bandas electrónicas. De esta manera, los electrones en
un metal presentan cierta inercia en su movimiento. Por el contrario, en
el grafeno las bandas no presentan curvatura sino que hay una
dependencia lineal entre la energía y el momento k. Por este motivo, los
electrones se mueven como si tuviesen una masa efectiva igual a 0!
Esto significa que los electrones no encuentran impedimentos al
atravesar la red de carbonos, de tal manera, que se mueven a una
velocidad constante asociada a la energía del nivel de Fermi (del orden
de 106 m/s).
Estas características eléctricas pueden convertir al grafeno en el
sucesor del silicio en el mundo de la electrónica. Los interesados en
profundizar en las propiedades eléctricas del grafeno podéis consultar
el siguiente artículo: “Electrónica del grafeno“.
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