Propiedades mecánicas de membranas de grafeno: consecuencias de la inducción controlada de defectos

Resumen

El grafeno, una sola capa atómica de grafito, fue aislado por primera vez en 2004 y originó una gran revolución científica en el estudio de materiales bidimensionales. Debido a su grosor atómico y su alta calidad cristalina, el grafeno presenta propiedades muy exóticas. Gran parte de la investigación realizada desde 2004 se ha enfocado en las propiedades electrónicas del grafeno. De hecho se ha demostrado que el grafeno presenta nuevos fenómenos de carácter electrónico que podrían ser explotados en futuras aplicaciones. La alta calidad cristalina de este material también se ve reflejada en sus extraordinarias propiedades mecánicas. A pesar de todo, las propiedades mecánicas del grafeno han quedado relegadas, de momento, a un segundo plano. Por otro lado, es importante mencionar que hasta ahora ningún método de producción de grafeno, a media o gran escala, ha conseguido alcanzar muestras con la calidad estructural que presentan las muestras utilizadas para investigación básica. Esto pone de manifiesto que el estudio de la influencia de pequeños defectos en este material se hace indispensable si queremos trasladar los conceptos aprendidos de la ciencia básica a la tecnología. En este trabajo recojo nuestros esfuerzos en el grupo NanoForces en los últimos años enfocados a la determinación de las propiedades mecánicas de membranas monoatómicas de grafeno en presencia de defectos. Una parte considerable de los experimentos que presento en esta manuscrito se realizaron con el fin de corroborar o descartar una hipótesis inicial propuesta para explicar un hallazgo experimental inesperado: el módulo de Young del grafeno aumenta si introducimos en su estructura una cierta cantidad de defectos. El manuscrito está dividido en 5 capítulos: En el primer capítulo hago una breve introducción al grafeno, haciendo más hincapié en las propiedades y métodos que tienen mayor relevancia a la hora de entender los procedimientos y conclusiones que se presentan en los siguientes capítulos. El segundo capítulo es el más extenso. Aquí se encuentran descritos en detalle los métodos experimentales utilizados a lo largo de la tesis. Al 2 comienzo describo la caracterización de propiedades mecánicas mediante experimentos de indentación con microscopía de fuerzas atómicas y nuestros resultados iniciales. Explico en detalle el método de introducción de defectos y la caracterización de los mismos. Posteriormente muestro nuestros resultados de la dependencia del módulo de Young con la densidad de monovacantes inducidas. Contrariamente a lo que esperábamos encontrar, los experimentos mostraban que el módulo de Young del grafeno aumenta con la introducción de una cierta densidad de monovacantes. Finalmente se hace una descripción del modelo fenomenológico/cualitativo (realizado en colaboración con F. Guinea y M.I. Katsnelson) propuesto para explicar nuestros resultados. Este modelo se basa en la idea de que los defectos suprimen parcialmente las fluctuaciones térmicas del grafeno fuera del plano de la membrana. Los resultados descritos en este capítulo, junto con el modelo sugerido tenían grandes implicaciones a la hora de entender y determinar propiedades intrínsecas de las membranas de grafeno. Dada su relevancia, éstos dieron pie a la realización de los experimentos descritos en los capítulos 3 y 4. En el tercer capítulo proponemos una nueva metodología para la medida experimental del coeficiente de expansión térmica de materiales bidimensionales. Se observa experimentalmente que esta magnitud es negativa y se corrobora la validez de esta nueva técnica. Posteriormente muestro nuestros resultados experimentales de la dependencia del coeficiente de dilatación térmica del grafeno con la densidad de defectos. Observamos que el coeficiente de dilatación térmica del grafeno tiende a cero con la introducción contralada de defectos. En último lugar, se aportan simulaciones atomísticas realizadas en el grupo de R. Pérez que intentan arrojar luz sobre nuestros resultados. Tanto las observaciones experimentales como las nuevas simulaciones apoyan el modelo fenomenológico sugerido inicialmente. En el cuarto capítulo utilizamos una novedosa aproximación experimental para acceder experimentalmente al módulo de Young de nuestras membranas en función de la tensión. Esta aproximación se basa en la aplicación de grandes diferencias de presión a través de membranas de grafeno. De esta manera conseguimos inducir deformaciones en la lámina de ~0.5%. Posteriormente, muestro nuestros resultados experimentales del módulo de Young en función de una deformación inducida por la diferencia de presión. Observamos que el módulo de Young aumenta en un cierto rango de deformaciones, hasta alcanzar el doble del valor Resumen 3 comúnmente aceptado. Finalmente, describo el trabajo teórico realizado por R. Roldán y F. Guinea con el fin de explicar nuestros resultados. Simultáneamente al estudio de la respuesta elástica en presencia de defectos inducidos, realizamos también estudios sobre cómo estos defectos afectan a la fractura de las membranas de grafeno. En el capítulo 5 muestro como la tensión de fractura de las láminas de grafeno disminuye sustancialmente con la densidad de vacantes inducidas. Posteriormente, analizo la propagación de la fractura de estas membranas en función de la densidad de defectos. De estos resultados se concluye que los defectos frenan la propagación de la rotura. En último lugar se describen las propiedades elásticas y de fractura de láminas de óxido de grafeno, corroborando que equivalen en todos los sentidos a las de un grafeno extremadamente defectuoso. En resumen, nuestros trabajos ponen de manifiesto que las propiedades mecánicas de estas láminas de espesor monoatómico están lejos de ser entendidas en su totalidad. A su vez, intentan contribuir a clarificar el efecto de las fluctuaciones térmicas en las propiedades mecánicas del grafeno. Presentamos evidencias experimentales que apuntan a la renormalización del módulo de Young en un factor 2 por la presencia de oscilaciones térmicas sí bien no descartamos la presencias de arrugas estáticas observadas por otros grupos. Además, proponemos la inclusión de vacantes monoatómicas como método para suprimir los efectos causados por estas fluctuaciones. Finalmente, observamos que la inclusión de vacantes provoca que el grafeno resista menos tensión antes de romperse pero, por otra parte, hacen que las fracturas propaguen menos.