Circuitos de carbono que desaparecen en el grafeno, podrían tener usos en seguridad biomédica.

publicado a la‎(s)‎ 2 oct. 2015 8:54 por José Malaguera   [ actualizado el 2 oct. 2015 9:42 ]
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Escritura por haz de electrones- La figura muestra cómo los investigadores doparon la superficie del grafeno utilizando átomos de carbono. (Fuente: Fedorov Laboratorio, Georgia Tech)


En la serie de televisión "Misión Imposible", las instrucciones para la misión fueron entregadas en una cinta de audio que se destruye inmediatamente después de ser interpretada. En caso de que una nueva versión de la serie se retransmita, sus productores podrían querer hablar con el profesor Andrei Fedorov del Georgia Institute of Technology, sobre el uso de sus "circuitos de desaparición" para la entrega de las instrucciones de las misiones.

Usando átomos de carbono depositadas sobre grafeno, con un proceso de haz de enfoque de electrones , Fedorov y sus colaboradores han demostrado una técnica para la creación de patrones dinámicos en superficies de grafeno. Los patrones se podrían utilizar para hacer que los circuitos electrónicos s sean reconfigurables, que evolucionen durante un período de horas antes de desaparecer, en última instancia, cambian a un nuevo estado electrónico del grafeno. El grafeno también se compone de átomos de carbono, pero en una forma altamente ordenada.
Publicado en la revista nanoescala, la investigación ha sido apoyada principalmente por el Departamento de la Oficina de Energía de Ciencias de Estados Unidos, en colaboración con científicos del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL), con el apoyo de la Oficina de la Fuerza Aérea de Investigaciones Científicas. Más allá de lo que permite la desaparición de fabricación de circuitos, la tecnología podría ser utilizado como una forma de liberación controlada, en la que la disipación de los patrones de carbono podría controlar otros procesos, tales como la liberación de biomoléculas.



Esta imagen AFM muestra la fase del canal de conducción del grafeno después del dopaje FEBID de carbono donde se observa una diferencia clara de contraste entre el dopado tipo p  y las regiones con un dopado tipo n de carbono. (Fuente: Fedorov Laboratorio, Georgia Tech)








"Ahora vamos a ser capaces de dibujar circuitos electrónicos que evolucionan con el tiempo", dijo Andrei Fedorov, profesor en el W. Woodruff Escuela de Ingeniería Mecánica en Georgia Tech. "Se podría diseñar un circuito que funciona de una manera ahora, pero después de esperar un día para el carbono se difunda sobre la superficie de grafeno, ya no se tiene un dispositivo electrónico. Hoy el dispositivo podría hacer una cosa; mañana sería hacer algo totalmente diferente ".
El proyecto comenzó como una manera de limpiar los hidrocarburos contaminantes de la superficie del grafeno. Pero los investigadores pronto se dieron cuenta que podían utilizarlo para crear patrones, utilizando el carbono amorfo producido a través de la  "escritura" con un haz de electrones como dopante, para crear secciones con carga negativa de grafeno.

Una herramienta nanolitografía de aditivos de última generación que permite la escritura directa de dopantes de carbono en el grafeno para aplicaciones en dispositivos funcionales reconfigurables. Se espera que esta estrategia de "dopado facile" permita avanzar en la electrónica de nanomateriales de baja dimensionalidad. (Fuente: Fedorov Laboratorio, Georgia Tech)
 
Los investigadores quedaron perplejos al principi, al descubrir que sus patrones recién formados desaparecieron con el tiempo. Se utilizó mediciones electrónicas y de microscopía de fuerza atómica para confirmar que los patrones de carbono se habían movido sobre la superficie de grafeno para formar en última instancia, una capa uniforme sobre toda la superficie del grafeno. El cambio ocurre generalmente durante unas 10 horas, y en última instancia se convierte en regiones superficiales cargadas positivamente (de dopado - p) y superficies con una carga uniformemente negativos (de dopado - n) mientras se forma un dominio de unión pn intermedio en el curso de esta evolución.
"Las estructuras electrónicas cambian continuamente con el tiempo", explicó Fedorov. "Eso convierte al dispositivo en reconfigurable, sobre todo porque la deposición de carbono no se hace usando películas a granel, sino un haz de electrone,s que se utiliza para dibujar en la región donde se desea que se forme un dominio negativamente dopado."

El grafeno consta de átomos de carbono dispuestos en una red compacta. La estructura única proporciona propiedades electrónicas atractivas, que han llevado al estudio generalizado del grafeno como material nuevo, con un potencial para aplicaciones de electrónica de avanzada.

Sin embargo, el grafeno todavía consiste en átomos de carbono, y cuando los patrones se depositan en la superficie con átomos de carbono normales, comienzan lentamente la migración sobre la superficie del grafeno. La velocidad a la que los átomos se mueven alrededor de la región, se puede ajustar mediante la variación de la temperatura o mediante la fabricación de estructuras que dirigen el movimiento de los átomos. Los átomos de carbono pueden también ser "congelados" en un patrón fijo, mediante el uso de un láser, para convertirlos en grafito - otra forma de carbono.
"Hay múltiples formas de modular el estado dinámico, mediante el cambio de la temperatura, ya que controla la velocidad de difusión del carbono, dirigiendo el flujo atómico, o cambiando la fase de carbono", dijo Fedorov. "El carbono depositado a través de la deposición inducida por haz de electrones enfocado en el proceso (FEBID) está vinculada al grafeno muy libremente a través de interacciones de van der Waals, lo que hace móvil".

Más allá de las aplicaciones potenciales de seguridad,  para desaparecer circuitos, Fedorov ve la posibilidad de mecanismos de control simplificados que utilizarían los patrones de difusión y a su vez, los procesos a intervalos preestablecidos. La técnica también podría ser utilizada para medir el tiempo de liberación de productos farmacéuticos u otros procesos biomédicos.

"Se puede escribir la información en unos y ceros con el haz de electrones, utilizar el dispositivo para la transferencia de información, y luego dos horas más tarde la información habrá desaparecido", dijo. "En lugar de confiar en algoritmos de control complejos que un microprocesador ha de ejecutar, cambiando el estado dinámico o el propio sistema electrónico, su programa podría llegar a ser muy simple. Tal vez podría desencadenarse ciertos procesos activados que podrían beneficiarse de este tipo de comportamiento, en el que los estados electrónicos cambien continuamente con el tiempo ".
Fedorov y sus colaboradores han demostrado hasta ahora sólo la capacidad de crear patrones simples de dominios cargados en el grafeno. Su siguiente paso será utilizar las uniones pn para crear dispositivos que operarían por períodos específicos de tiempo.

Fedorov admite que este patrón de carbono dinámico, podría suponer un reto para los ingenieros eléctricos acostumbrados a dispositivos estáticos que realizan las mismas funciones día tras día. Pero él piensa que algunos encontrarán aplicaciones útiles para estos nuevos fenómenos.

"Hemos dado un paso fundamental en el descubrimiento y entendimiento del fenómeno", dijo. "El próximo paso será demostrar una aplicación compleja y única, que de otro modo sería imposible de hacer con un circuito convencional. Eso sería traer un nuevo nivel de espectativa ".

Songkil Kim, investigador post-doctoral en el grupo Fedorov, fue investigador principal en este trabajo con la asistencia de los estudiantes de posgrado del Tecnológico de Georgia M. Russell y M. Henry. Otros colaboradores en el proyecto incluyen SS Kim, RR Naik, y AA Voevodin del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea de Estados Unidos y SS Jang, y VV Tsukruk de la Escuela de Ciencia de los Materiales e Ingeniería en Georgia Tech.

Esta investigación fue apoyada por el Departamento de Energía (DOE), la Oficina de Ciencia, Energía de Ciencias Básicas (BES), bajo adjudicación DE-SC0010729 y por la Oficina de la Fuerza Aérea de Investigaciones Científicas (AFOSR) a través del Centro BIONIC adjudicación FA9550-09- 1-0162. Las observaciones y conclusiones son las de los autores y no reflejan necesariamente los puntos de vista oficiales de la DOE o AFOSR.

CITA:.. S. Kim, et al, "modulación dinámica de las propiedades electrónicas del grafeno por dopaje de carbono localizado utilizando inducida haz deposición de electrones enfocado" (Nanoscale 7, 14.946-14952, 2015) http://dx.doi.org /10.1039/c5nr04063a

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