Tesis de Posgrado

El grafeno es un material cristalino bidimensional, formado por una mono capa de átomos de carbono en una estructura tipo panal de abeja. Fue aislada por primera vez el año 2004 [1] y desde entonces ha llamado la atención de la comunidad científica por sus excepcionales propiedades físicas y químicas. Ellas han inspirado el desarrollo de aplicaciones en una amplia gama de campos no obstante, la adopción del grafeno en la sociedad dependerá en gran medida de encontrar métodos de producción eficientes, escalables y seguros. En virtud de lo anterior la presente tesis se centró en el estudio de métodos alternativos a los tradicionales para la producción de grafeno, en especial en aquellos con alto potencial de escalabilidad. Específicamente se exploró el uso del método de llama, dado que ha demostrado resultados sobresalientes en las síntesis de otras nano-estructuras, sin embargo en la producción de grafeno aún quedan desafíos por abordar. Se estudió sistemáticamente el crecimiento de material grafítico a través del método de llama de difusión inversa. A partir de este estudio se desarrolló una nueva vía de crecimiento de grafeno sobre láminas de cobre, esta vez basado en la deposición de vapores químicos a presión atmosférica (AP-CVD), empleando metano como gas precursor. El nuevo método de síntesis se desarrolla en condiciones extremadamente desfavorables para el crecimiento de grafeno, tales como cámara abierta y sin la adición de hidrógeno, gas imprescindible para el crecimiento de grafeno por AP-CVD, como agente reductor y co-catalizador. Esto se consiguió a través de una novedosa configuración del substrato el cual está constituido por dos láminas cobres paralelas y separadas por cierta distancia. En ellas se descompone el metano presente, cuando son calentadas vía inducción electromagnética a una temperatura cercana a los 1000 °C. Las especies de la descomposición, específicamente hidrógeno, se enriquece en la zona entre las láminas, debido a termo difusión o efecto Soret. Considerando el fuerte gradiente térmico entre los sustratos y la cámara, y la ingente diferencia en masas de los componentes gaseosos. Ello resulta en la presencia hidrógeno en cantidades suficientes para reducir el óxido nativo de la superficie del cobre e inhibir la acción de especies oxidativas, siempre presentes en la cámara, lográndose así el crecimiento de grafeno en las caras internas de estas láminas. Con el nuevo método, se reducen los costos de síntesis y los riesgos en la manipulación de hidrógeno gaseoso altamente explosivo. En conclusión, se facilita la producción de grafeno a nivel industrial. Como resultado de esta investigación se ha presentado una solicitud de patente de inversión para el método/sistema desarrollado en la presente tesis, en el Instituto de propiedad industrial (INAPI). Adicionalmente parte de los resultados experimentales derivados de este trabajo se presentaron en la revista internacional Aip Advances, bajo el título "Single step vacuum-free and hydrogen-free synthesis of graphene".