Los materiales más finos conocidos por la ciencia, con apenas unas pocas capas de átomos de grosor, podrían ser una de las piezas clave de la electrónica del futuro. El problema hasta ahora era producirlos de forma eficiente: las técnicas disponibles eran demasiado caras o generaban cantidades demasiado pequeñas.
Ahora, un equipo internacional liderado por investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC) ha desarrollado una mejora que permite fabricar materiales bidimensionales (materiales 2D) de forma más barata, escalable y con un rendimiento superior al de métodos similares.
El avance, publicado en la revista científica Nano Materials Science, mejora una técnica propia de exfoliación mecánica, un proceso utilizado para obtener materiales extremadamente finos como el grafeno o el disulfuro de molibdeno, materiales considerados estratégicos para la nueva generación de dispositivos electrónicos.
El reto de fabricar materiales de solo unas capas de átomos
Los llamados materiales 2D tienen propiedades únicas porque están formados por capas extremadamente delgadas, a veces de un solo átomo de espesor. Entre ellos destaca el grafeno, conocido por su resistencia, conductividad eléctrica y potencial para aplicaciones tecnológicas. Sin embargo, producir estos materiales a gran escala sigue siendo complicado.
Según explica Andrés Castellanos Gómez, investigador del CSIC en el ICMM-CSIC y líder del estudio, actualmente existen dos grandes vías para obtenerlos: técnicas de impresión, más económicas pero con bajo rendimiento, y métodos de deposición o evaporación química, capaces de producir mejores resultados pero con un coste elevado.
Entre ambas alternativas se encuentra la exfoliación mecánica, un método inspirado en el procedimiento utilizado para obtener grafeno por primera vez: utilizar una cinta adhesiva para separar capas del material hasta conseguir láminas extremadamente finas. El problema era que este proceso funcionaba bien en laboratorio, pero resultaba difícil trasladarlo a una producción más amplia.
Un sistema de rodillos que lleva el grafeno a una escala industrial
La solución desarrollada por el equipo del ICMM-CSIC consiste en transformar esa técnica manual en un sistema automatizado basado en rodillos. En un trabajo anterior, el grupo diseñó una máquina con cilindros enfrentados recubiertos de cinta adhesiva. Al girar, los rodillos reproducían el movimiento de pegar y despegar que se realiza manualmente para separar las capas del material.
El resultado era una superficie cubierta de grafeno, disulfuro de molibdeno u otros materiales en capas de dos dimensiones. “Buscamos rellenar el hueco entre las dos técnicas, con películas de material más baratas que las impresas pero con rendimiento similar al de las que se consigue por evaporación química”, explica Castellanos-Gómez.
Ahora, el equipo ha dado un nuevo paso incorporando un movimiento adicional: un desplazamiento horizontal de los rodillos durante el proceso. Esta modificación permite obtener películas mucho más uniformes y aumentar su tamaño hasta alcanzar una escala cercana a la utilizada por la industria.
“Logramos películas a escala de oblea, es decir, de unos cinco centímetros de diámetro: un tamaño con el que se trabaja en la industria”, señala el equipo.
Materiales 2D listos para aplicaciones electrónicas
La mejora no solo afecta al tamaño del material, sino también a sus propiedades. Los investigadores han comprobado que las películas obtenidas mantienen unas características electrónicas adecuadas para fabricar dispositivos avanzados.
“Esta técnica escalable permite la fabricación de películas de alta calidad aptas para aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas”, destaca Castellanos-Gómez. Para demostrar su funcionamiento, el equipo fabricó fototransistores utilizando un semiconductor 2D llamado diseleniuro de wolframio (WSe2).
Los dispositivos alcanzaron parámetros de rendimiento comparables a los mejores sistemas fabricados con materiales exfoliados mediante otros métodos más complejos.
“El método de transferencia en seco empleado garantiza una contaminación mínima y preserva las propiedades intrínsecas del material”, explica Carmen Munuera, investigadora del ICMM-CSIC e integrante del equipo.
Una vía más barata hacia la electrónica del futuro
El desarrollo de nuevas formas de fabricar materiales bidimensionales es uno de los grandes retos de la ciencia de materiales, ya que estos compuestos podrían mejorar tecnologías como sensores, dispositivos ópticos, transistores o componentes electrónicos avanzados.
Hasta ahora, el elevado coste y la dificultad para producirlos en cantidades útiles habían limitado muchas de sus aplicaciones.
La nueva técnica del ICMM-CSIC abre una alternativa basada en la exfoliación mecánica de alto rendimiento, un método que combina menor coste, escalabilidad y conservación de las propiedades del material.
Según los investigadores, el trabajo demuestra que estos materiales ultrafinos pueden dejar de ser únicamente una herramienta de laboratorio para acercarse a aplicaciones reales en la industria tecnológica.
