1. Circuitos integrados
El grafeno posee propiedades deseables como excelente dispositivo electrónico de circuito integrado: alta movilidad de portadoras y bajo nivel de ruido. En 2011, IBM logró crear el primer circuito integrado basado en grafeno: un mezclador inalámbrico de banda ancha que maneja frecuencias de hasta 10 GHz y cuyo rendimiento no se ve afectado a temperaturas de hasta 127 °C. Las nanocintas de grafeno se caracterizan por su alta conductividad eléctrica y térmica, y su bajo nivel de ruido, y son un material de interconexión ideal para circuitos integrados, con el potencial de reemplazar al cobre metálico. Algunos investigadores han intentado crear puntos cuánticos a partir de nanocintas de grafeno. Modifican el ancho de las nanocintas en puntos específicos para formar confinamiento cuántico. La estructura de baja dimensión de las nanocintas de grafeno posee propiedades optoelectrónicas muy importantes: inversión de población y ganancia óptica de banda ancha. Estas excelentes cualidades permiten que las nanocintas de grafeno se coloquen en microcavidades o nanocavidades para formar láseres y amplificadores. Los estudios han demostrado que las nanocintas de grafeno se pueden aplicar a los sistemas de comunicación óptica y se pueden desarrollar láseres de nanocintas de grafeno.
2. Transistores de grafeno
En 2005, los grupos de investigación de Geim y Kim descubrieron que el grafeno tiene una alta movilidad de portadores, diez veces mayor que la de las obleas de silicio comerciales a temperatura ambiente, y se ve poco afectado por la temperatura y los efectos del dopaje, mostrando una escala submicrónica a temperatura ambiente. Las propiedades de transporte balístico (hasta 0,3 m a 300 K), la ventaja más destacada del grafeno como dispositivo nanoelectrónico, hacen que los transistores de efecto de campo balístico a temperatura ambiente sean muy atractivos en el campo de la ingeniería electrónica. La mayor velocidad de Fermi y la baja resistencia de contacto ayudan a reducir aún más el tiempo de conmutación del dispositivo, y las características de respuesta operativa de frecuencia ultraalta son otra ventaja significativa de los dispositivos electrónicos basados en grafeno. Con la tecnología moderna, los nanocables de grafeno pueden demostrar ser generalmente capaces de reemplazar al silicio como semiconductor.
3. Electrodos conductores transparentes
La buena conductividad eléctrica y las propiedades de transmisión de luz del grafeno le otorgan una excelente perspectiva de aplicación en electrodos conductores transparentes. Pantallas táctiles, pantallas de cristal líquido, células fotovoltaicas orgánicas, diodos emisores de luz orgánicos, etc., requieren materiales de electrodos conductores transparentes de alta calidad. En particular, la resistencia mecánica, la flexibilidad y la transmitancia de luz del grafeno son superiores a las del material comúnmente utilizado, el óxido de indio y estaño. Mediante deposición química de vapor, se puede fabricar una película de grafeno de pocas capas, transparente, continua, de gran área y alta conductividad, que se utiliza principalmente en el ánodo de dispositivos fotovoltaicos y alcanza una eficiencia de conversión de energía de hasta el 1,71 %; en comparación con el elemento fabricado, esta eficiencia de conversión de energía es de aproximadamente el 55,2 %.
4. Material conductor térmico/material de interfaz térmica
Los estudios han demostrado que la conductividad térmica (K) del grafeno a temperatura ambiente ha superado el límite del grafito a granel (2000 W/m•K), los nanotubos de carbono (3000~3500 W/m•K) y los diamantes. Alcanza los 5300 W/m•K, superando ampliamente a materiales metálicos como la plata (429 W/m•K) y el cobre (401 W/m•K). La excelente conductividad térmica y las propiedades mecánicas hacen que el grafeno tenga un gran potencial de desarrollo en el campo de la gestión térmica. Las películas basadas en grafeno se pueden utilizar como materiales disipadores de calor flexibles para cumplir con los requisitos de iluminación LED de alta potencia, computadoras, circuitos satelitales, armas láser y equipos terminales portátiles. Requisitos térmicos para sistemas integrados. Estos resultados de investigación proporcionan una nueva perspectiva para el diseño de compuestos de carbono/carbono integrados estructurales/funcionales.
5. Sensores
La singular estructura bidimensional del grafeno le otorga un gran potencial de aplicación en el campo de los sensores. Su enorme superficie lo hace tan sensible al entorno que incluso puede detectarse la adsorción o liberación de una molécula de gas. Actualmente, esta detección se divide en directa e indirecta. Los procesos de adsorción y liberación de átomos individuales pueden observarse directamente mediante microscopía electrónica de transmisión. Estos procesos pueden detectarse indirectamente midiendo el efecto Hall. Cuando una molécula de gas se adsorbe en la superficie del grafeno, se produce un cambio local de resistencia en el punto de adsorción. Si bien este efecto también se produce en otras sustancias, el grafeno posee la ventaja de su alta conductividad y bajo nivel de ruido, lo que permite detectar este pequeño cambio de resistencia.
6. Supercondensadores y baterías de iones de litio
Gracias a su excepcionalmente alta relación superficie-masa, el grafeno puede utilizarse como electrodo conductor para supercondensadores. Los científicos creen que la densidad energética de estos supercondensadores será mayor que la de los condensadores existentes. Gracias a su buena conductividad y enorme superficie específica, el grafeno se puede utilizar ampliamente en baterías de iones de litio: puede utilizarse directamente como electrodo negativo o combinarse con SnO₂, Si y otros materiales como electrodo negativo. La modificación del grafeno puede reducir eficazmente el tiempo de carga de las baterías de iones de litio y aumentar su densidad de potencia.
