Graphene and Fluorescence Spectroscopy

Ajustando la fotoluminiscencia del óxido de grafeno

El Grafeno ha recibido una enorme atención tanto en la comunidad científica como en la industria debido a sus notables propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas. Si bien los científicos tenían teorías sobre el grafeno desde los años ´40 (aún sin nombre en esa época), fue en 2004 cuando Andre Geim y Konstantin Novoselov fueron capaces de aislar una capa de grafeno usando cinta adhesiva, lo que le abrió las puertas a su aplicación en muy diversas áreas. El grafeno inicia una tecnología disruptiva con numerosas aplicaciones potenciales, que van desde la electrónica flexible hasta la filtración de agua. La importancia del material fue reconocida con la entrega del Premio Nobel de Física de 2010 a Novoselov y Geim por sus "experimentos pioneros en relación con el material bidimensional grafeno ". Lo que lo hace diferente al resto de las sustancias, es que es flexible, transparente, extremadamente resistente (200 veces más fuerte que el acero), cinco veces más liviano que el Aluminio, y un conductor eléctrico y térmico excepcional.

El paper de Novoselov y Geim, puede descargarse aquí.

Estructura del Grafeno. Cada vértice de los hexágonos representa a un átomo de Carbono.

Como se ve en la imagen, el grafeno está formado por una capa de átomos de Carbono dispuestos en forma hexagonal, algo así como un panal de abejas de dos dimensiones (podríamos pensar al Grafeno como una sola capa de grafito, el material con el que se fabrican las minas de lápiz). Pero sabemos (quizá lo recordamos de la escuela secundaria), que el átomo de Carbono tiene cuatro valencias (cuatro electrones dispuestos a unirse a átomos cercanos) En la imagen se ve claramente que cada Carbono está unido a sólo 3 átomos de Carbono. ¿Qué ocurre con el cuarto electrón, cuando tenemos dos capas de grafeno, una sobre la otra? Ese electrón está “libre”, lo que hace al material un gran conductor eléctrico.

La oxidación del Grafeno (G) para formar Óxido de Grafeno (GO), hace que el material sea fotoluminiscente, ya que se forma un gap entre las bandas de valencia y de conducción. Esto abre la puerta a futuras aplicaciones. Dado que la fotoluminiscencia del óxido de grafeno está relacionada con el grado de oxidación de la red de grafeno, las propiedades de fotoluminiscencia se pueden sintonizar utilizando reducción fototérmica (exposición a calor y luz), de GO a rGO. La conclusión es que el rango de fotoluminiscencia del GO es amplio, entre 350 nm y 1250 nm, con un máximo a 710 nm. Mediante la reducción fototérmica del GO, se ajustó el máximo en 450 nm.

Estructuras químicas y de bandas simplificadas de grafeno y óxido de grafeno. VB = banda de valencia, CB = banda de conducción. Adaptado de Sehrawat et al.

Cambio en los espectros de Fotoluminiscencia (PL) del óxido de grafeno con una creciente reducción fototérmica. λex = 300 nm, Δλex = 5 nm, Δλem = 5 nm.

Origen del desplazamiento de Fotoluminiscencia cuando se reduce el óxido de grafeno. La PL de 710 nm (rojo) proviene de la recombinación dentro de los estados de defectos inducidos por desorden, mientras que la PL de 450 nm (azul) surge de la recombinación dentro de los estados de cúmulos confinados. Adaptado de Chien et al.

Este trabajo se realizó con un espectrofluorómetro Edinburgh Instruments FLS1000, y aquí podés leer la nota completa.

Espectrofluorómetro FLS 1000, de Edinburgh Instruments.