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ronald-bustamante
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quimica organica
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A pesar de ser una nica capa atmica, el grafeno es uno de los ms fuertes
materiales, ms fuerte que el acero (Lee et al., 2008); es decir, que tiene una fuerte capacidad
para sobrevivir falla bajo gran carga aplicada. Por otra parte, el grafeno es un muy
fl exible y el material impermeable a los gases (Manojo et al, 2008) por lo que es
adecuado para una variedad de aplicaciones, incluyendo ciencias de la vida. Es por ello
obvio para considerar grafeno como un material con buenas propiedades mecnicas
para aplicaciones en nano micro sistemas electromecnicos (NEMS / MEMS).
Tales aplicaciones pueden variar de deteccin de accionamiento o aplicaciones
en biotecnologa (Wu et al., 2009, Alwarappan et al., 2009). Mediante la combinacin de
propiedades electrnicas y mecnicas de grafeno, los dispositivos con mayor
funcionalidad puede ser fabricado. Los tomos en una sola hoja de grafeno atmica de capa estn dispuestas en una
estructura de nido de abeja y se unen en una confi guracin sp 2 con un carbono
longitud de enlace de carbono de aproximadamente 1,42 . Hojas sueltas de grafeno capa pueden ser
apilados juntos para formar mltiples capas de grafeno con la distancia entre capas
de 3,35 (Delhaes, 2001). Los estudios con microscopio electrnico de barrido
mostr que las ondas de grafeno. Todava es discutible si estas ondas son
intrnseca o extrnseca (Fasolino et al., 2007, Ishigami et al., 2007). Ellos podrian
ser causadas por impurezas o por el sustrato subyacente. A pesar de esto,
grafeno parece conservar sus atributos mecnicos notables en comparacin
con otros materiales. Nos veremos en las secciones posteriores cmo stos
atributos se pueden explorar para desarrollar sistemas nanomecnicos mejoradas. Captulo 14 est organizado de la siguiente manera: en el 14,2, trazamos una comparacin entre
dos materias pendientes, grafeno y silicio; en 14.3, detallamos grafeno 's
parmetros mecnicos, incluyendo el mdulo de Young y el coeficiente de Poisson;
metodologas y problemas de fabricacin se abordan en 14.4; en 14,5, nos
342 El grafeno
explorar nanoestructuras resonantes grafeno; en el 14,6, presentamos ejemplos
de dispositivos de deteccin de nanomecnicos hechos con grafeno; y, en 14,7, nos
discutir las futuras tendencias de nanodispositivos grafeno.
14.2 El grafeno frente silicio
Es instructivo comparar el grafeno con una de las materias pendientes
para MEMS y NEMS, es decir, de silicio monocristalino. Silicio ha dominado
La tecnologa MEMS para las dos ltimas dcadas, lo que permite esta tecnologa para
generar un mercado de miles de millones de dlares (Yole, http://www.yole.fr/
Reports.aspse). Teniendo en cuenta el notable potencial del grafeno, es
previsto que este material tiene el potencial de contribuir a MEMS y
Tecnologas NEMS e incluso competir con el silicio en el mismo nivel. En
Tabla 14.1, se muestra una comparacin entre los dos materiales, en trminos de
algunos de sus parmetros de material. Se nota, por ejemplo, que el grafeno
tiene un mdulo de Young ms alto que el silicio, lo que permite la fabricacin de alta frecuencia
resonadores de grafeno. Por ejemplo, una hecha de nanobeam
grafeno multicapa tiene una frecuencia de resonancia aproximadamente tres veces ms grandes
que la de un haz de silicio que tiene las mismas dimensiones, de acuerdo con
los valores listados en la Tabla 14.1.
La conductividad trmica notablemente superior y una alta carga de corriente
capacidad permite el uso de grafeno como interconexiones en chips electrnicos,
potencialmente reemplazar el cobre. Los altos valores de la movilidad grafeno ofrece
un buen material para su uso como un canal de metal xido semiconductor fi ELD
transistores de efecto (MOSFETs). Silicio Thin-cuerpo se ha convertido en uno de los
materiales promisorios para NEMS, y para el desarrollo de la novela siliconbased
dispositivos de alta velocidad, as como ofreciendo una integracin de alta densidad.
Dispositivos hechos de fina de silicio sobre aislante (SOI) utilizan el enfoque hbrido
es decir, una combinacin de estructuras mviles y MOSFETs en el mismo
plataforma (Abele et al. 2005, Buks y Roukes 2001, Garca-Ramrez et al.
2010, Tsuchiya et al. 2005). En principio, este enfoque hbrido puede ser ed simplifi
an ms en el grafeno, porque la estructura mvil es grafeno s mismo,
que puede ser cerrada electrnicamente y, por lo tanto, que se utiliza como un sensor sin
la necesidad de un transistor de lado. El grafeno se produce principalmente mediante los tres
siguientes mtodos: exfoliacin mecnica de grafito (Novoselov et al.,
2004, 2005); crecimiento epitaxial en SiC (Emtsev et al., 2009, de Heer et al.,
2007); y la deposicin qumica de vapor (CVD) en lmina metlica (Cu, Fe
y otros metales de transicin) (Kim et al., 2009, Li et al., 2009a, b, Obraztsov
et al., 2007). Capas delgadas de grafito pueden cultivar epitaxialmente en 4HSiC
sustrato por la descomposicin trmica de cualquiera de Si-C o superficie terminada
especies. La principal ventaja de grafeno epitaxial de carburo de silicio es el
posibilidad de gran superficie patrones usando microelectrnica estndar
procesos; para la integracin ejemplo, gran rea de la electrnica en la oblea
Nanoelectromechanics grafeno (NEMS) 343
escala es posible (Hass et al., 2006). Exfoliacin de hojas de grafeno se mantiene
el nico mtodo que produce alta calidad copos de grafeno, obtenida por
escisin de micromecnica de grafito a granel. El grafeno puede benefi ciarse de la
tecnologas maduras IC desarrollados para el silicio, aunque la de abajo hacia arriba
enfoque tambin es una ruta viable hacia MEMS grafeno / NEMS.
14.3 grafeno atributos mecnicos
Desde el descubrimiento de grafeno, se han realizado varios experimentos
para medir el mdulo de Young, la fuerza y la relacin de Poisson del grafeno
hojas atmicas. En esta seccin, se discuten los mtodos experimentales utilizados para
medir estos parmetros.
14.3.1 mdulo de Young
En materiales lineales (ley obedecer Hook 's), el mdulo de Young E es defi nida
como la relacin de la tensin de traccin a la deformacin por traccin y, en un isotrpica
material elstico, esto se da por:
= E [14,1]
donde es la deformacin uniaxial. Experimentalmente, el mdulo de Young es
determinada por las pruebas de resistencia a la traccin experimentos: se aplica una carga a la
espcimen en una direccin y el desplazamiento resultante se mide; la
Mdulo de Young est dada por la pendiente de la parcela de carga-desplazamiento. En
silicio MEMS y NEMS, ya que estamos tratando con tamaos desde unas pocas decenas de
micrmetros a unas pocas decenas de nanmetros, en general, varios en-chip
configuraciones de prueba de traccin experimental fueron desarrollados (Sato et al., 1998, Tsuchiya
et al., 2005). Microscopa de fuerza atmica (AFM) tambin se utiliza ampliamente como una
Parmetros del material Tabla 14.1 silicio y grafeno
Joven
mdulo
(TPA)
Electrn
movilidad
(Cm 2
V - 1
s - 1)
Trmico
conductividad
(W m - 1
K - 1)
Relacin de Poisson
El grafeno ~ 1 (Lee et al.,
2008)
> 15000
(Novoselov
et al., 2005)
~5000 (Balandin
et al., 2008)
~0.165 (Lee et al,
2008)
Silicio ~0.13 (Dual
et al., 1997)