El grafeno tiene un futuro brillante en el área de la electrónica, particularmente en los transistores de efecto de campo (FET). Un grafeno FET (GFET) estará en producción comercial más adelante en 2015. Las películas delgadas de grafeno y molidisulfuro se diseñarán para manejar los problemas de separación de banda para los semiconductores y se convertirán en un reemplazo para los chips CMOS y CMOS en los transistores de película delgada (TFT). Todo esto llega al mercado eventualmente, pero hay algunas suposiciones y conjeturas críticas para estimar lo que viene primero y lo que tendrá éxito.
Entonces, comencemos con los problemas clave que retrasan el movimiento del grafeno del laboratorio a los productos comerciales. Principalmente solo uno, costo . Mientras el grafeno siga siendo más caro que el silicio, no se adoptará en el mundo de los chips de Internet de las cosas. Actualmente, el grafeno está escalando la fabricación en CVD de plasma con presión y CVD en cobre en la fabricación a presión ambiente. Por lo tanto, los puntos de precio podrían alcanzar niveles de reemplazo de silicio a mediados de 2016. Aquí el beneficio se destinará principalmente a los fabricantes de grafeno CVD a presión ambiente y no a los fabricantes de plasma bajo presión de microondas.
El siguiente enfoque escalable altamente probable que reducirá el costo será el grafeno multicapa impreso. Aquí, el estado actual de la técnica parece ser la impresión de grafeno de nanocables de carbono y también la impresión 3D con bicapa a varias capas de grafeno. El crecimiento de los circuitos electrónicos imprimibles se moverá rápidamente a las tintas basadas en grafeno y esto impulsará la reducción de costos. Es un círculo virtuoso para electrónica flexible y materiales 2D y tecnologías de impresión. El cronograma para esto es 2015 (ahora) en las tintas y circuitos, pero un poco más lento en los ultracondensadores. Un circuito impreso flexible en grafeno con un ultracondensador impreso es mediados de 2015; pero en su teléfono inteligente (?) podría ser 2018. Las posibilidades son mayores de que también se incorpore otra alternativa bimetálica, por lo que este es un tema mucho más complicado. Tanto las tintas de grafeno impresas como la CVD a gran escala para película delgada, sin presión o la necesidad de plasma a alta temperatura, son realidades hoy en día. El impacto en el precio debería ser de 6 a 18 meses y eso reducirá el grafeno a centavos por cm en 2016.
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En las aplicaciones de transistores de tamaño inferior a 10 nm, el grafeno tendrá un precio inelástico y, sin importar el costo, seguirá recibiendo mucha atención. Esto se debe a que el grafeno puede manejar temperaturas más altas y mover electrones más rápido. Al igual que el silicio, se puede combinar con compuestos de microdiamantes y sustratos compuestos de nano-diamantes para proporcionar una mejor gestión del calor. Esto permitirá una densidad mejorada continua de chips que usan grafeno. Los fabricantes de chips quieren eliminar problemas de conector, problemas de interferencia de electrones y gestión del calor en silicio estándar con foto litografía. La ley de Moore exige más densidad. Pero, para llegar a las computadoras Quantum y más allá de la interferencia de electrones en la densidad de 3-4 nm en un chip, se necesitará usar grafeno de materiales bidimensionales MoS2 o Bn. Los problemas de tiempo de comercialización siguen siendo grandes al pasar de un entorno de laboratorio a un entorno comercial fabuloso. La optimización de la brecha de banda y los problemas de fabricación expulsan los materiales 2D en aproximadamente 4 años, en mi opinión, pero no tengo acceso a los datos de origen para darle una mejor respuesta. Esto podría ser abordado por los principales científicos del laboratorio de nano materiales de Argonne, Univ. de LRSM de Pennsylvania, PARC o MIT. Varios artículos de revistas recientes sugieren que tanto el nano consorcio de la UE, KAIST en Corea del Sur como varios laboratorios universitarios estadounidenses han llegado al punto de comercializar varias capas de grafeno con ingeniería de banda prohibida. Las solicitudes de patentes, los problemas de transferencia de tecnología y el sigilo de laboratorio hacen que mis estimaciones sean solo conjeturas en este momento.
Así que volvamos a los precios y la fabricación. La exfoliación mecánica del grafeno no es escalable. La grabación láser con un DVD y la conversión de plaquetas de grafito suspendidas en grafeno o grafeno multicapa es escalable y actualmente es una tecnología potencial que reduce el precio del grafeno de una sola capa. Esta técnica debe ser capaz de funcionalizar la superficie de grafeno usando el láser, entonces será muy útil, las soluciones de tinta de grafeno químicamente reducidas todavía tienen defectos y problemas de límite de borde para sus capas de grafeno, y eso elimina el mercado de la electrónica, pero el tiempo La línea para este proceso en otras áreas es de aproximadamente 6 meses más. Después de eso, los precios del grafeno caerán considerablemente y eso incluye la electrónica en sustratos y la electrónica impresa y esto debería mover los GFET en el espacio del transistor de película delgada (TFT). El mercado TFT es quizás de 1 a 2 años para el desarrollo comercial.
El siguiente mercado más cercano para el grafeno es la tecnología de sensores. Aquí los chips biológicos ya están fuera del laboratorio y en experimentos escalables. El mercado de sensores altamente sensibles (partes por billón) es grande. DARPA y TATRC han estado trabajando en SBIR para crear una variedad de narices artificiales y otros sensores de sangre, saliva y atmosféricos basados en GFET. La capacidad de dopar un GFET y hacer un sensor molecular altamente específico ha sido bien probada, pero sigue siendo más de 3 años en un mercado comercial debido a los estándares regulatorios de la FDA. Incluso si se crean biochips escalables y rentables, el proceso regulatorio necesita un modelo de predicado 510 (k) para un seguimiento rápido. Esto puede no existir para todos y cada uno de los compuestos que se están desarrollando. Por lo tanto, el camino hacia la aprobación del mercado probablemente sea una herramienta de diagnóstico complementaria que se lleva a cabo a través de la FDA con cada extensión de entrega de medicamentos o presentación de nuevos medicamentos. (un ejecutivo farmacéutico podría pesar aquí). El director de la FDA ha estado presionando para obtener diagnósticos complementarios para la medicina individualizada (medicamentos basados en terapias específicas de ADN), etc. Por lo tanto, esta vía reguladora podría ser un dispositivo sensor de combinación de seguimiento rápido y un medicamento. Eso lo haría un mínimo de 3 años o más. Un dispositivo o sensor médico tradicional podría estar más cerca de 8-10 años sin un dispositivo predicado para la presentación 510 (k).
El grafeno también ayudará a la industria de las baterías. La gran superficie de los materiales bidimensionales los hace ideales para el almacenamiento de energía. Los ultracondensadores pronto alcanzarán el nivel de W / kh de la tecnología de batería de iones de litio. Creo que veremos esta sustitución de condensadores por baterías de Li en los próximos 5 años. Veo que el grafeno juega un papel en tres áreas.
1) recubrimiento de ánodos y cátodos en baterías. La resistencia, la flexibilidad y la capacidad de transferencia de electrones del grafeno lo hacen ideal como recubrimiento para evitar la degradación de los ánodos durante la tensión del ciclo. La vida útil de la batería se extenderá en los dispositivos combinados tradicionales de ácido de plomo, iones de litio y baterías / condensadores exóticos a través de los beneficios protectores de recubrir ánodos y cátodos con grafeno.
2) envolver los condensadores con grafeno ayudará a mejorar el peso, la movilidad de los electrones de las capas de carbono amorfo y la eficiencia del electrolito. Creo que una red de nanotubos de carbono envuelta en grafeno o algunos ultracondensadores de película delgada de Bn y grafeno son probablemente menos de un año después de salir del laboratorio y entrar en una aplicación de alto valor (piense en la NASA o en el ejército). Una vez más, llevar esto al mercado requerirá reducciones de costos y algunos aumentos en la eficiencia. La sustitución de una batería de Li en un teléfono celular por un ultracondensador de grafeno en un teléfono celular es difícil de imaginar en los próximos dos años. Dependerá de qué tan rápido se adopten las pantallas flexibles, etc.
Creo que los ultracondensadores de carga flash en capas en las actuales cajas de plástico de los teléfonos inteligentes para alimentar las baterías de litio en un iPhone 6 es la mejor idea de regalo para la temporada navideña del próximo año. Para que el tren de inversión haya salido de la estación, búscalo el próximo viernes negro …
3) Los materiales en capas 2D sobre estructuras de carbono en 3D pueden ser el futuro del almacenamiento de energía. Una nano cebolla SP3, envuelta en grafeno para facilitar la transferencia de electrones, rellena dentro (como los guisantes en una vaina), un laboratorio de nano-laboratorio de Drexel Universities ha demostrado que un CNT es un excelente medio de almacenamiento. Muchos de estos híbridos, de gran superficie, materiales de carbono amorfo serán excelentes para el almacenamiento de cargas de condensadores en el futuro.
Hay muchas otras aplicaciones comerciales que están más lejos.
Las virutas de grafeno solo (en comparación con las virutas de material de combinación 2D) tomarán un poco de tiempo, ya que crear estados de borde uniformes en grafeno requerirá un poco de trabajo para escalar.
El envasado de alimentos con láminas de grafeno perforadas específicamente en PET es probablemente de 5 años. Pero la industria del embalaje es grande.
Los paneles solares mejorados con materiales 2D en sus películas delgadas probablemente estén una o dos generaciones por detrás del material actual. La pregunta para las aplicaciones solares es si los LED orgánicos y la fotosíntesis distraerán el crecimiento de los PV TFT. Además, si la futura red inteligente quiere grandes proyectos de infraestructura o soluciones de energía distribuida. Sostenibilidad versus endurecimiento de la red versus tecnología de nuevos materiales, todo esto hace que el impacto del grafeno en la energía solar sea más difícil de predecir.
La desalinización con una membrana permeable de ósmosis inversa de grafeno también está en el horizonte. Lockheed Northrup tiene su material patentado perforene y hay varios otros materiales bidimensionales que pueden tener agujeros diseñados para permitir el paso del agua pero no de las sales. El beneficio es que la energía necesaria para empujar el agua de mar a través de una película atómicamente delgada no es mucha. Por lo tanto, puede hacer que estas nuevas películas compitan con la desalinización instantánea, a un precio que se puede lograr en unos pocos años.
No veo que las membranas de grafeno se distribuyan a todos los pueblos de África a corto plazo. Veo que se agrega a todas las plantas de tratamiento de agua en los Estados Unidos como una forma de mejorar la eficiencia y tal vez limpiar otras partículas. Como el mercurio, las drogas RX y los metales pesados. Estoy tratando de encontrar una empresa con la que trabajar que quiera usar una membrana de grafeno que pueda ser impurificada para separar las tierras raras (piense en itrio, indio, etc.) de los suministros de agua en los sitios mineros y en la minería urbana al agregarla al tratamiento de agua plantas Creo que esas películas serían un negocio interesante.
Espero que estas ideas sean útiles. Sé que hay varias presentaciones PPT en un par de sitios web de empresas de fabricación de grafeno. Estos PPT proyectan el momento de comercializar una variedad de aplicaciones comerciales, algunas mejores que otras. No estoy seguro de que puedan compartirse aquí, ya que probablemente se consideren con derechos de autor y algunos de mis otros gráficos creados personalmente están bajo NDA, etc. Lamento ser todas las palabras, no imágenes. Pero mucha gente inteligente está pensando en esto, y la velocidad de comercialización está ocurriendo mucho más rápido de lo que esperaba. Ya no tenemos unos años para adelantarnos a la curva con nuestras nuevas empresas de grafeno. Estamos viendo solo unos pocos meses, y en algunos casos las oportunidades ya se nos han escapado.
