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El grafeno puede ser difícil de manejar. El entorno que rodea al material de espesor de un átomo de carbono puede influir en su rendimiento electrónico, según los investigadores de las universidades  de Rice y Osaka, que han logrado con una forma sencilla de detectar contaminantes.

Porque es muy fácil de introducir accidentalmente impurezas en el grafeno, los laboratorios liderados por los físicos Junichiro Kono de Rice (EE.UU.) y Masayoshi Tonouchi del Instituto de Ingeniería Láser de Osaka (Japón) descubrieron una forma de detectar e identificar moléculas contaminantes en su superficie, mediante espectroscopia a frecuencia de terahercios.

Esperan que el hallazgo sea importante para los fabricantes que consideren en el futuro el uso de grafeno en los dispositivos electrónicos.

La investigación fue publicada esta semana en línea en la revista Nature Scientific Reports. Esto fue posible por el programa NanoJapan basado en Rice, a través del cual los estudiantes universitarios estadounidenses realizan pasantías de investigación de verano en laboratorios japoneses.

Incluso una sola molécula de una sustancia extraña puede contaminar el grafeno lo suficiente para afectar a sus propiedades eléctricas y ópticas, dijo Kono. Por desgracia (y tal vez irónicamente), se incluyen los contactos eléctricos.

«Tradicionalmente, con el fin de medir la conductividad de un material, hay que adjuntar los contactos y luego hacer mediciones eléctricas», dijo Kono, cuyo laboratorio se especializa en la investigación a frecuencias de  terahercios. «Sin embargo, nuestro método es sin contacto.»

Eso es posible porque el compuesto fosfuro de indio emite ondas de terahercios cuando se excita. Los investigadores lo utilizaron como sustrato para el grafeno. Lanzaron contra el material  pulsos de femtosegundos de un láser infrarrojo, lo que hizo que el fosfuro de indio emitiera señales de  terahercios de retorno a través del grafeno. Las imperfecciones tan pequeños como una molécula de oxígeno parásita en el grafeno fueron captadas por un espectrómetro.

«El cambio en la señal de terahercios debido a la adsorción de moléculas es notable», dijo Kono. «No sólo la intensidad, sino también la forma de onda de la radiación de terahercios emitida totalmente y de forma dinámica cambia en respuesta a la adsorción y desorción molecular. El siguiente paso es explorar la sensibilidad última de esta técnica única para la detección de gas.»

La técnica puede medir tanto la ubicación de la contaminación de las moléculas y los cambios en el tiempo. «El láser elimina gradualmente las moléculas de oxígeno del grafeno, cambiando su densidad, y eso lo podemos ver», afirmó Kono.

El experimento consistió en el crecimiento de grafeno prístino través de la deposición de vapor químico y su transferencia a un sustrato de fosfuro de indio. Los pulsos láser generan estallidos coherentes de radiación terahecios a través del campo eléctrico de la superficie del sustrato fosfuro de indio, que cambia debido a la transferencia de carga entre el grafeno y las moléculas contaminantes. La onda de terahercios, cuando se visualiza, refleja el cambio.

Los resultados experimentales son una advertencia para los fabricantes de productos electrónicos. «Para cualquier dispositivo futuro diseñado usando grafeno, tenemos que tener en cuenta la influencia de los alrededores», dijo Kono. El grafeno en un vacío o intercalado entre capas no contaminantes probablemente sería estable, pero la exposición al aire lo contamina, afirmó.

Los laboratorios de Rice y Osaka continúan colaborando en un proyecto para medir la conductividad del grafeno a terahercios en varios sustratos.

Los autores del artículo incluyen a la alumna de Rice Mika Tabata, quien condujo la investigación como participante NanoJapan 2012 en el laboratorio Tonouchi, y el estudiante graduado Minjie Wang; los profesores asociados Iwao Kawayama y Hironaru Murakami y los estudiantes de posgrado Yuki Sano y Khandoker Abu Salek de Osaka; y Robert Vajtai, un compañero de profesores de alto nivel, y Pulickel Ajayan, el Benjamin M. y Mary Anderson Greenwood profesor en Ingeniería, profesor de ciencia de los materiales y la nanoingeniería y  química, y presidente del Departamento de Ciencia de los Materiales y NanoIngeniería, todos en Rice.

La National Science Foundation (NSF); la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia; el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón y la Fundación Murata Ciencia apoyaron la investigación. NanoJapan es financiado por las asociaciones de la NSF para la Investigación Internacional y el programa de Educación.

Fuente: Y. Sano, I. Kawayama, M. Tabata, K. A. Salek, H. Murakami, M. Wang, R. Vajtai, P. M. Ajayan, J. Kono, M. Tonouchi. Imaging molecular adsorption and desorption dynamics on graphene using terahertz emission spectroscopy. Scientific Reports, 2014; 4 DOI: 10.1038/srep06046