El grafeno: el material fantástico para electrónica, informática, etc.

La industria de los semiconductores constituye la base de la actual economía en el sector de la tecnología avanzada, puesto que por sí sola proporciona más de cien mil empleos directos en Europa y muchos más de manera indirecta. Ello se ha logrado a través de un proceso continuo de miniaturización de la tecnología de metal-óxido-semiconductor complementario (CMOS), fundamentada en el silicio. Sin embargo, este modelo de actividad no pervivirá más de diez o quince años.

El principal reto para el sector de las tecnologías de la información y la comunicación (TIC) consiste en hallar alternativas para el procesado y almacenaje de información que superen las limitaciones de la actual tecnología CMOS. Existen indicios fiables de que el grafeno es un candidato fundamental para construir componentes «más allá del CMOS». Además, pese a su carácter revolucionario, es un material complementario a las tecnologías CMOS convencionales.

El grafeno ha motivado una intensa actividad científica en el último decenio, desde que se iniciaran los experimentos pioneros con este material tan novedoso, galardonados con el Premio Nobel de física en 2010 a los profesores Andre Geim y Kostya Novoselov de la Universidad de Mánchester. El grafeno posee unas propiedades eléctricas sobresalientes que pueden permitir que se superen las limitaciones físicas que presenta el silicio ante el continuo proceso menguante de los transistores, ofreciendo así soluciones para la época «más allá del CMOS» muy necesarias para superar los desafíos que plantea la competencia mundial.

En octubre de 2013 dio comienzo el proyecto emblemático GRAPHENE (1), que abarca múltiples disciplinas y ha emprendido investigaciones sobre una larga serie de temas, desde la comprensión a nivel fundamental de las propiedades del grafeno hasta la producción de este material. Las investigaciones propuestas cubren la electrónica, la espintrónica, la fotónica, la plasmónica y la mecánica, disciplinas todas estas basadas en el grafeno.

Esta iniciativa, coordinada por el profesor Jari Kinaret de la Universidad Tecnológica Chalmers (Suecia), cuenta con la participación de 126 grupos científicos académicos e industriales repartidos por 17 países europeos, sumando en total 136 investigadores principales, entre ellos 4 premios Nobel. El consorcio responsable de GRAPHENE, que cuenta con un presupuesto de 54 millones de euros para un período inicial de 30 meses, será ampliado con unos 20 o 30 grupos más a través de una convocatoria abierta de propuestas de proyectos en noviembre por un valor total de 9 millones de euros.

«Sin duda, un objetivo fundamental de nuestro proyecto es la producción de grafeno», reconoció el profesor Kinaret en la inauguración del proyecto, pero entre las aplicaciones fundamentales que se estudiarán se encuentran dispositivos electrónicos y ópticos de gran velocidad, electrónica flexible, componentes funcionales de peso ligero y baterías avanzadas. Algunos ejemplos de productos nuevos posibilitados por las tecnologías del grafeno son aparatos electrónicos de consumo rápidos, flexibles y sólidos, tales como el papel electrónico, los dispositivos de comunicación personales y plegables y aeronaves más ligeras y con mayor eficiencia energética. A más largo plazo, se espera que el grafeno genere nuevos paradigmas informáticos y aplicaciones médicas revolucionarias como retinas artificiales.

Leva anclas el proyecto emblemático FET sobre el grafeno

Descritos por la Vicepresidenta de la Comisión Europea Neelie Kroes como una «audacia», los proyectos emblemáticos FET (tecnologías futuras y emergentes) son proyectos de investigación visionarios, a gran escala e impulsados por la ciencia que abordan retos científicos y tecnológicos de varias disciplinas. Estos nuevos instrumentos de la UE para la financiación de la investigación impulsan esfuerzos coordinados entre esta y los programas nacionales y regionales de sus Estados miembros. Son muy ambiciosos y se fundamentan en una cooperación entre varios campos del conocimiento, colectivos y programas, siendo necesario un apoyo de hasta diez años de duración. Al término de la fase de arranque, en marzo de 2016 y dentro del aún vigente Séptimo Programa Marco (7PM) de investigación de la UE, los trabajos se prolongarán dentro del siguiente programa, Horizonte 2020, a través del cual está previsto otorgar anualmente 50 millones de euros al proyecto emblemático.

El grafeno se eligió como tema de un proyecto emblemático a raíz de un concurso entre seis proyectos piloto destinados a investigar las áreas que encerraban el mayor potencial en términos de una inversión sostenida. En palabras de la propia Sra. Kroes: «La posición de Europa como superpotencia del conocimiento depende de su capacidad para concebir lo inconcebible y explotar las mejores ideas. Este concurso, dotado de varios miles de millones de euros, premia los avances científicos europeos y muestra que, cuando somos ambiciosos, podemos realizar en Europa la mejor investigación».

El proyecto piloto emblemático dedicado al grafeno, llamado GRAPHENE-CA (2), se dedicó a estudiar de qué manera los avances logrados con este material basado en el carbono podrían revolucionar las TIC y la industria en general. Los responsables de este proyecto piloto establecieron un plan científico y tecnológico exhaustivo que debía servir como base de las prioridades investigadoras del proyecto GRAPHENE, abarcando la electrónica, la espintrónica, la fotónica, la plasmónica y la mecánica, así como áreas auxiliares como la química y la producción de grafeno. Estos fueron los argumentos de su elección.

Ahora que esta iniciativa emblemática se encuentra ya en marcha, cuenta con un equipo investigador de proporciones mareantes . Participan universidades de Lovaina (Bélgica), Aalto (Finlandia), Lille y Estrasburgo (Francia), Bremen, Chemnitz, Dresde y Hamburgo (Alemania), Ioannina (Grecia), Dublín (Irlanda), Trieste (Italia), Minho (Portugal), Barcelona y Castilla-La Mancha (España), Basilea, Ginebra y Zúrich (Suiza), Delft y Groningen (Países Bajos), y Cambridge, Mánchester y Oxford (Reino Unido). A éstas se suman institutos de tecnología y politécnicos de Austria, Dinamarca, Francia, Alemania, Grecia, Italia, Polonia, España, Suecia y Suiza. También hay que mencionar a entidades industriales como Nokia, Thales, Alcatel Lucent, Philips Technology, Airbus y ST Microelectronics. Esta lista sólo abarca una porción del total de las organizaciones que participan.

Su misión consiste en llevar el grafeno, y los materiales por capas derivados, de los laboratorios académicos a la sociedad con vistas a cambiar radicalmente múltiples sectores y generar crecimiento económico y empleo en Europa.

«La Comisión y todos los socios académicos e industriales del proyecto emblemático GRAPHENE forman un frente común para alcanzar estos objetivos. Que quede claro: se trata de un compromiso a un plazo especialmente largo y surgirán retos -declaró Carl-Christian Buhr, integrante del gabinete de la Sra. Kroes-. Debemos incluir a la industria de tal modo que las ideas sean adoptadas y conduzcan a productos y mercados nuevos. Esa es la idea esencial del proyecto emblemático».

De manera consecuente, incluye un conjunto exhaustivo de actividades complementarias para alcanzar estas metas, a saber:

- Un proyecto de tipo ERA-NET, FLAG-ERA (3), para ayudar al proyecto emblemático a coordinar las iniciativas nacionales de investigación en torno al grafeno.
- Una serie de iniciativas dedicadas a difundir entre la población general los conocimientos relativos al grafeno. La Semana del grafeno , por ejemplo, es un foro de periodicidad anual que reúne a cientos de investigadores con el ánimo de presentar sus últimos adelantos en diversas disciplinas. La próxima edición se celebrará en Gotemburgo (Suecia) en junio de 2014. Su cometido es constituir un «punto de encuentro del colectivo dedicado al grafeno» en el que se traben vínculos entre los debates de ciencia fundamental y aplicaciones nuevas y apasionantes.
- Graphene Connect es una plataforma de interacción pensada para entidades académicas y empresas que anima a los científicos a aplicar ideas no trilladas y a las empresas a desarrollar productos comerciales con el grafeno como base. Incluirá una serie de talleres industriales y sesiones para inversores providenciales, emprendedores e inversores de capital riesgo en las que se debatirán posibles oportunidades de inversión en actividades relacionadas con el grafeno.
- Graphene Study es una escuela europea de invierno dedicada al grafeno que contribuirá a formar a una nueva generación de investigadores sobre este material y también a establecer nuevos canales de comunicación directa entre jóvenes investigadores y representantes de organizaciones académicas e industriales. La primera edición tendrá lugar en los Alpes austríacos entre el 2 y el 7 de febrero de 2014.

Resultados preliminares

Algunas de las investigaciones sobre el grafeno financiadas anteriormente por la UE ya están dando sus frutos. El proyecto GRAND (4), concluido en diciembre de 2010, se dedicó a estudiar si el grafeno mantenía sus fabulosas propiedades al integrarse en los procesos de CMOS basados en el silicio.

El equipo de este proyecto, dirigido por AMO (Alemania), pretendía evaluar si realmente el grafeno podría llevar la tecnología convencional de semiconductores a la época «más allá del CMOS». El consorcio de GRAND desarrolló maneras de fabricar nanoestructuras bidimensionales de grafeno (con un espesor de tan sólo cinco nanómetros) utilizables en componentes electrónicos. Era importante demostrar que tales componentes no sólo funcionarían, sino también que podrían fabricarse mediante un proceso ampliable hasta dimensiones industriales.

En consecuencia, el equipo diseñó un tipo nuevo de transistor (cuyo concepto fundamental se publicó en la prestigiosa revista Applied Physics Letters) que podría abrir vías nuevas para la fabricación, a partir del grafeno, de dispositivos electrónicos y optoelectrónicos de gran velocidad.

En el marco de GRAND, también se ha integrado grafeno en un dispositivo de memoria no volátil que podría reducirse hasta alcanzar un tamaño molecular, concretamente, una memoria de grafeno con dimensiones de tan sólo 1x1 nm capaz de conservar la información guardada en la misma incluso al retirar el suministro eléctrico. El equipo fabricó más de una decena de dispositivos de estas características y demostró la capacidad de ampliar la escala.

Encabezado por la Universidad Tecnológica Chalmers de Suecia, el proyecto CONCEPTGRAPHENE (5) se inició con el propósito de depositar una capa fina de grafeno sobre una base de carburo de silicio (SiC) con vistas a desarrollar dispositivos electrónicos de escala variable que podrían tener aplicación en la espintrónica y en dispositivos de medición ultraprecisa. El equipo responsable se aplicó a fabricar obleas de grafeno a gran escala que permitieran la creación de dispositivos electrónicos de densidad elevada sobre una única oblea de silicio. Esta clase de tecnología se necesitará para la fabricación industrial a plena escala de componentes y dispositivos basados en el grafeno de un modo compatible con las técnicas industriales actuales.

Concluido en septiembre de 2013, de este proyecto surgió una empresa naciente que se dedicará a la producción de obleas de grafeno y llamada Graphensic AB, con sede en Linköping, Suecia. Se trata de una empresa escindida de la Universidad de Linköping que pretende producir grafeno de gran calidad y uniformidad sobre SiC valiéndose de un proceso patentado de obtención de grafeno a alta temperatura. Se trata de un método de crecimiento que da lugar a una capa de grafeno delgada (incluso de una capa única de átomos) sobre SiC.

Posibilidades inagotables

Pero el grafeno no es el único material innovador que podría transformar la electrónica; el proyecto 2D-NANOLATTICES (6), que finalizará en mayo de 2014, trabaja en otras estructuras de retícula molecular similar al grafito basadas en distintos elementos. Estas «nanorretículas» también presentan grandes posibilidades de allanar el camino hacia la construcción de dispositivos nanoelectrónicos cada vez más pequeños y potentes. Concretamente, el «siliceno» o el «germaneno», dos equivalentes al grafeno pero derivados del silicio o del germanio que sería posible lograr en teoría, podrían ofrecer en caso de obtenerse una mayor compatibilidad con el procesado de silicio.

El equipo de este proyecto, dirigido por el Centro Nacional de Investigación Científica Demokritos de Grecia, se ha propuesto encontrar maneras de inducir y estabilizar el silicio y el germanio y demostrar de forma pionera la existencia física del siliceno. Produciendo capas alternas (cada una de un átomo de grosor) unidas entre sí por enlaces débiles, este material nuevo podría constituir el elemento de puertas lógicas y otros componentes en semiconductores bidimensionales nuevos y miniaturizados.

Pese a encontrarnos en una etapa muy incipiente, parece que nos hallamos ante los pasos iniciales de una transformación del modo de fabricación de los dispositivos electrónicos y también de sus prestaciones, de lo cual podría surgir una transformación similar de la industria de alta tecnología y la economía en Europa.

Los proyectos mencionados en el presente artículo contaron con fondos del Séptimo Programa Marco (7PM) de investigación.

(1) «Graphene-based revolutions in ICT and beyond»
(2) «Graphene-based nanoelectronic devices»
(3) «A flagship-supporting ERA-NET»
(4) «New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene»
(5) «Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond»
(6) «Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices».

Enlaces a los proyectos en CORDIS:

- el 7PM en CORDIS
- ficha informativa del proyecto emblemático GRAPHENE en CORDIS
- ficha informativa del proyecto GRAPHENE-CA en CORDIS
- ficha informativa del proyecto GRAND en CORDIS
- ficha informativa del proyecto CONCEPTGRAPHENE en CORDIS
- ficha informativa del proyecto 2D-NANOLATTICES en CORDIS

Vínculos a las páginas web de los respectivos proyectos:

- página web de «Graphene-based revolutions in ICT and beyond»
- página web de «Coordination Action for graphene-driven revolutions in ICT and beyond»
- página web de «Graphene-based nanoelectronic devices»
- página web de «New electronics concept: wafer-scale epitaxial graphene»
- página web de «Strongly anisotropic Graphite-like semiconductor/dielectric 2D nanolattices»

Enlaces a noticias o artículos relacionados:

- Reportaje - Conozca a los pioneros de las tecnologías futuras y emergentes
- nota de la prensa de la CE: Grafeno y el proyecto Cerebro humano ganan el premio más importante de la historia en el campo de la investigación
- nota de prensa sobre la inauguración de GRAPHENE

Otros enlaces:

- sitio web de la Comisión Europea sobre la Agenda Digital