El grafeno ya es venerado por su notable resistencia y conductividad eléctrica, propiedades por las que que los investigadores han luchando para utilizarle desde aplicaciones en raquetas de tenis hasta en la electrónica flexible .
Una nueva clase de fotodetectores detecta la luz usando grafeno en hojas, de un solo átomo de espesor de carbono. Los equipos se reúnen la luz utilizando una guía de silicio (azul) para mejorar su absorción por una hoja de grafeno (gris), por lo que los cables (amarillo) se pueden recoger una señal eléctrica.
Tres grupos de investigación han demostrado de forma independiente que el grafeno puede convertir de manera eficiente la luz infrarroja en señales eléctricas, como parte de los dispositivos conocidos como fotodetectores. Como traductores rápida y precisa de los datos ópticos, los fotodetectores de grafeno podrían acelerar las computadoras y reducir significativamente su consumo de energía. Los dispositivos, cada uno con una arquitectura un poco diferente, presentan variedades en su naturaleza.
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Esta actuación ya rivaliza con la de fotodetectores existentes. "Estamos viendo al grafeno llegar a un punto en que puede competir con las tecnologías de hoy en día", dice Dirk Englund, un físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, que desarrolló uno de los fotodetectores de grafeno. "Eso es un nuevo e importante paso".
Las fibras ópticas que ya utilizan la luz para transportar datos a través de largas distancias. Dentro de una computadora, sin embargo, los electrones deben seguir su ruta a través de pistas de cobre para transportar bits de datos dentro de un chip y también de un chip a otro. No sólo son circuitos electrónicos convencionales más lentos que el de la fibra óptica, si no que también pierden una gran cantidad de energía en la superación de la resistencia del cobre.
Al integrar fichas con las fibras ópticas, los ingenieros eléctricos necesitan sensores de luz minúsculos que puedan convertir múltiples longitudes de onda de la luz de fondo en impulsos eléctricos. Pero los fotodetectores convencionales utilizan un semiconductor de germanio, para convertir así un rango limitado de longitudes de onda.
Cerrar la brecha
Ahí es donde triunfa grafeno. El germanio puede detectar solamente los fotones que tienen la energía suficiente para empujar los electrones a través de una barrera de energía llamada la banda prohibida, lo que permite la carga eléctrica para moverse libremente por el semiconductor. Sin embargo, "el grafeno puede detectar cualquier longitud de onda, porque no tiene banda prohibida", dice Thomas Mueller, un físico de la Universidad Tecnológica de Viena, que también ha creado un photodetector de grafeno. Por otra parte, el grafeno es más barato que el germanio, y más fácil de incorporar en un chip de silicio.
Pero los primeros fotodetectores de grafeno, hecho en 2009, eran extremadamente ineficientes, ya que es en el material donde deja la mayor parte de la luz que translada. Los tres grupos superaron este problema al canalizar la luz a lo largo de una guía de onda de silicio que corre paralela a una hoja de grafeno (ver imagen superior), y aumenta la interacción de la luz sin reducir la velocidad. Los últimos dispositivos generan de 50 a 100 veces más cantidad de luz que los actuales detectores. A pesar de que todavía es diez veces menos de fotodetectores de germanio, "la brecha se está cerrando muy, muy rápidamente", dijo Englund. Los electrones también pueden moverse a través de grafeno a alta velocidad, haciendo que el material ideal para el manejo de grandes cantidades de datos. "En este caso, estos dispositivos son probablemente mejores que los detectores existentes", dice Englund. El fotodetector de su equipo puede manejar 12 gigabits de datos por segundo - "un número bastante estándar para dispositivos optoelectrónicos de alta velocidad" -y es probable que supere eso. Un tercer grupo de investigadores, de la Universidad China de Hong Kong en Shatin, creó un fotodetector grafeno que podría detectar mayor longitud de onda de la luz, en la parte del infrarrojo medio del espectro. Por otra parte, podría hacerlo a temperatura ambiente, mientras que los detectores convencionales que recogen estas longitudes de onda tienen que ser enfriado con nitrógeno líquido. Esto podría hacer que sea especialmente útil en aplicaciones que miden las respuestas de moléculas" a la luz infrarroja para identificar determinadas sustancias químicas en el medio ambiente, o en muestras médicas, por ejemplo. El principal obstáculo para la comercialización de estos dispositivos es la dificultad de fabricación de grafeno de alta calidad al por mayor, dice Englund. Los tres grupos hicieron su grafeno a mano, pelar las hojas de carbono de una muestra más grande. Pero los investigadores están trabajando en tecnologías prometedoras alternativas de producción, tales como la deposición química de vapor , que podrían hacer ampliación más fácil, dice Ming Liu, ingeniero eléctrico de la Universidad de California, Berkeley, quien es coautor de un News and Views artículo que acompaña a los documentos en la revista especializada "Nature Photonics".
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Esta actuación ya rivaliza con la de fotodetectores existentes. "Estamos viendo al grafeno llegar a un punto en que puede competir con las tecnologías de hoy en día", dice Dirk Englund, un físico del Instituto de Tecnología de Massachusetts en Cambridge, que desarrolló uno de los fotodetectores de grafeno. "Eso es un nuevo e importante paso".
Las fibras ópticas que ya utilizan la luz para transportar datos a través de largas distancias. Dentro de una computadora, sin embargo, los electrones deben seguir su ruta a través de pistas de cobre para transportar bits de datos dentro de un chip y también de un chip a otro. No sólo son circuitos electrónicos convencionales más lentos que el de la fibra óptica, si no que también pierden una gran cantidad de energía en la superación de la resistencia del cobre.
Al integrar fichas con las fibras ópticas, los ingenieros eléctricos necesitan sensores de luz minúsculos que puedan convertir múltiples longitudes de onda de la luz de fondo en impulsos eléctricos. Pero los fotodetectores convencionales utilizan un semiconductor de germanio, para convertir así un rango limitado de longitudes de onda.
Cerrar la brecha
Ahí es donde triunfa grafeno. El germanio puede detectar solamente los fotones que tienen la energía suficiente para empujar los electrones a través de una barrera de energía llamada la banda prohibida, lo que permite la carga eléctrica para moverse libremente por el semiconductor. Sin embargo, "el grafeno puede detectar cualquier longitud de onda, porque no tiene banda prohibida", dice Thomas Mueller, un físico de la Universidad Tecnológica de Viena, que también ha creado un photodetector de grafeno. Por otra parte, el grafeno es más barato que el germanio, y más fácil de incorporar en un chip de silicio.
Pero los primeros fotodetectores de grafeno, hecho en 2009, eran extremadamente ineficientes, ya que es en el material donde deja la mayor parte de la luz que translada. Los tres grupos superaron este problema al canalizar la luz a lo largo de una guía de onda de silicio que corre paralela a una hoja de grafeno (ver imagen superior), y aumenta la interacción de la luz sin reducir la velocidad. Los últimos dispositivos generan de 50 a 100 veces más cantidad de luz que los actuales detectores. A pesar de que todavía es diez veces menos de fotodetectores de germanio, "la brecha se está cerrando muy, muy rápidamente", dijo Englund. Los electrones también pueden moverse a través de grafeno a alta velocidad, haciendo que el material ideal para el manejo de grandes cantidades de datos. "En este caso, estos dispositivos son probablemente mejores que los detectores existentes", dice Englund. El fotodetector de su equipo puede manejar 12 gigabits de datos por segundo - "un número bastante estándar para dispositivos optoelectrónicos de alta velocidad" -y es probable que supere eso. Un tercer grupo de investigadores, de la Universidad China de Hong Kong en Shatin, creó un fotodetector grafeno que podría detectar mayor longitud de onda de la luz, en la parte del infrarrojo medio del espectro. Por otra parte, podría hacerlo a temperatura ambiente, mientras que los detectores convencionales que recogen estas longitudes de onda tienen que ser enfriado con nitrógeno líquido. Esto podría hacer que sea especialmente útil en aplicaciones que miden las respuestas de moléculas" a la luz infrarroja para identificar determinadas sustancias químicas en el medio ambiente, o en muestras médicas, por ejemplo. El principal obstáculo para la comercialización de estos dispositivos es la dificultad de fabricación de grafeno de alta calidad al por mayor, dice Englund. Los tres grupos hicieron su grafeno a mano, pelar las hojas de carbono de una muestra más grande. Pero los investigadores están trabajando en tecnologías prometedoras alternativas de producción, tales como la deposición química de vapor , que podrían hacer ampliación más fácil, dice Ming Liu, ingeniero eléctrico de la Universidad de California, Berkeley, quien es coautor de un News and Views artículo que acompaña a los documentos en la revista especializada "Nature Photonics".
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