Base para a eletrônica de grafeno está pronta

Base para a eletrônica de grafeno está pronta

Por 15 anos, os cientistas tentaram explorar o grafeno "material milagroso" para produzir eletrônica em nanoescala. No papel, o grafeno deve ser ótimo para isso: ele é ultrafino - com apenas um átomo de espessura e, portanto, bidimensional, é excelente para a condução de corrente elétrica e deve ser ideal para futuras formas de eletrônica que são mais rápidas e mais energia eficiente. Além disso, o grafeno consiste em átomos de carbono - dos quais temos um suprimento ilimitado.

Em teoria, o grafeno pode ser alterado para realizar muitas tarefas diferentes, por exemplo, eletrônica, fotônica ou sensores, simplesmente desenhando minúsculos padrões nele, pois isso altera fundamentalmente suas propriedades quânticas. Uma tarefa "simples", que se revelou surpreendentemente difícil, é induzir um bandgap - que é crucial para a fabricação de transistores e dispositivos optoeletrônicos. No entanto, desde que o grafeno é apenas um átomo de espessura todos os átomos são importantes e até mesmo pequenas irregularidades no padrão podem destruir suas propriedades.

"O grafeno é um material fantástico, que eu acho que vai desempenhar um papel crucial na fabricação de novos eletrônicos em nanoescala. O problema é que é extremamente difícil projetar as propriedades elétricas", diz Peter Bøggild, professor da DTU Physics.

O Centro de Grafeno Nanoestruturado da DTU e Universidade de Aalborg foi criado em 2012 especificamente para estudar como as propriedades do grafeno podem ser projetadas, por exemplo, fazendo um padrão muito fino de furos. Isso deve alterar sutilmente a natureza quântica dos elétrons no material e permitir que as propriedades do grafeno sejam adaptadas. No entanto, a equipe de pesquisadores da DTU e Aalborg experimentou o mesmo que muitos outros pesquisadores em todo o mundo: não funcionou.

"Quando você faz padrões em um material como grafeno, você faz isso para mudar suas propriedades de maneira controlada - para combinar com seu design. No entanto, o que temos visto ao longo dos anos é que podemos fazer os furos, mas não sem introduzir tanta desordem e contaminação que não mais se comporta como o grafeno, é um pouco semelhante a fazer um cano de água, com uma baixa taxa de vazão por causa da fabricação grosseira.Para fora, ele pode parecer bem. obviamente desastroso ", diz Peter Bøggild.

Agora, a equipe de cientistas resolveu o problema. Dois pós-docs da DTU Physics, Bjarke Jessen e Lene Gammelgaard, primeiro grafeno encapsulado dentro de outro material bidimensional - nitreto de boro hexagonal, um material não-condutor que é frequentemente usado para proteger as propriedades do grafeno.

Em seguida, eles usaram uma técnica chamada litografia de feixe de elétrons para padronizar cuidadosamente a camada protetora de nitreto de boro e grafeno abaixo com uma série densa de pequenos orifícios. Os furos têm um diâmetro de aprox. 20 nanômetros, com apenas 12 nanômetros entre eles - no entanto, a rugosidade na borda dos furos é menor que 1 nanômetro ou um bilionésimo de metro. Isso permite que o fluxo de corrente elétrica seja 1000 vezes maior do que o relatado em estruturas de grafeno tão pequenas.

"Nós mostramos que podemos controlar a estrutura da banda de grafeno e projetar como ela deve se comportar. Quando controlamos a estrutura da banda, temos acesso a todas as propriedades do grafeno - e descobrimos que alguns dos mais sutis efeitos eletrônicos quânticos sobreviver ao padrão denso - que é extremamente encorajador.Nosso trabalho sugere que podemos sentar em frente ao computador e projetar componentes e dispositivos - ou sonhar algo inteiramente novo - e então ir ao laboratório e realizá-los na prática, "diz Peter Bøggild. Ele continua:

"Muitos cientistas abandonaram há muito tempo a tentativa de nanolitografia em grafeno nessa escala, e é uma pena, já que a nanoestruturação é uma ferramenta crucial para explorar os recursos mais interessantes da eletrônica e da fotônica do grafeno. Agora, descobrimos como isso pode ser feito; Pode-se dizer que a maldição foi levantada. Existem outros desafios, mas o fato de podermos adaptar as propriedades eletrônicas do grafeno é um grande passo para a criação de novos eletrônicos com dimensões extremamente pequenas ", diz Peter Bøggild.

Artigo:

Bjarke S. Jessen, Lene Gammelgaard, Morten R. Thomsen, David M. A. Mackenzie, Joachim D. Thomsen, José M. Caridad, Emil Duegaard, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Timothy J. Booth, Thomas G. Pedersen, Antti-Pekka Jauho, Peter Bøggild. Lithographic band structure engineering of graphene. Nature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0376-3

Fonte:

www.sciencedaily.com