Os semicondutores são materiais que conduzem eletricidade sob condições específicas, e são componentes fundamentais dos dispositivos eletrónicos. Investigadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia (Georgia Tech), EUA, criaram o primeiro semicondutor funcional do mundo feito de grafeno, uma única folha de átomos de carbono unidos pelas ligações mais fortes que são conhecidas.
A descoberta surge numa altura em que o silício, o material a partir do qual são feitos quase todos os produtos eletrónicos modernos, está a atingir o seu limite face a uma computação cada vez mais rápida e a dispositivos eletrónicos mais pequenos.
Walter de Heer, professor regente de física no Georgia Tech, liderou uma equipa de investigadores baseados em Atlanta, na Geórgia, e Tianjin, na China, que produziu um semicondutor de grafeno compatível com métodos convencionais de processamento microeletrónico – uma necessidade para qualquer alternativa viável ao silício.
Nesta investigação, já publicada na revista “Nature”, Walter de Heer e a sua equipa superaram o obstáculo fundamental que tem durante décadas atormentado a investigação em grafeno, e a razão pela qual muitos pensavam que a eletrónica do grafeno nunca funcionaria. Conhecida como “band gap”, é uma propriedade eletrónica crucial que permite que os semicondutores sejam ligados e desligados. O grafeno não tinha band gap – até agora.
“Agora temos um semicondutor de grafeno extremamente robusto com 10 vezes a mobilidade do silício e que também possui propriedades únicas não disponíveis no silício”, disse Walter de Heer. “Mas a história do nosso trabalho nos últimos 10 anos tem sido: ‘Podemos fazer com que este material seja bom o suficiente para funcionar?’”
Um novo tipo de semicondutor
Walter de Heer começou a explorar materiais à base de carbono como potenciais semicondutores no início da carreira, e então mudou para a exploração do grafeno bidimensional em 2001. O investigador sabia que o grafeno tinha potencial para a eletrónica.
“Fomos motivados na esperança de introduzir três propriedades especiais do grafeno na eletrónica”, disse ele. “É um material extremamente robusto, que pode suportar correntes muito grandes e sem aquecer e destruir.”
Walter de Heer alcançou um grande avanço quando ele e sua equipa descobriram como cultivar grafeno em pastilhas de carboneto de silício usando fornos especiais. Eles produziram grafeno epitaxial, que é uma camada única que cresce na face cristalina do carboneto de silício. A equipa descobriu que, quando feito corretamente, o grafeno epitaxial ligava-se quimicamente ao carboneto de silício e começava a apresentar propriedades semicondutoras.
Durante a década seguinte, os investigadores persistiram no aperfeiçoamento do material no Georgia Tech e mais tarde em colaboração com colegas do Centro Internacional de Nanopartículas e Nanossistemas de Tianjin, na Universidade de Tianjin, na China. Walter de Heer fundou o centro em 2014 com Lei Ma, diretor do centro e coautor do artigo.
Como foi feito o aperfeiçoamento
Na sua forma natural, o grafeno não é um semicondutor nem um metal, mas sim um semimetal. Um band gap é um material que pode ser ligado e desligado quando um campo elétrico lhe é aplicado, que é como funcionam todos os transístores e eletrónicos de silício. A principal questão na pesquisa eletrónica do grafeno era como ligá-lo e desligá-lo para que funcionasse como o silício.
Mas para fazer um transistor funcional, um material semicondutor deve ser bastante manipulado, o que pode danificar as suas propriedades. Para provar que a sua plataforma poderia funcionar como um semicondutor viável, a equipa precisava de medir as propriedades eletrónicas sem as danificar.
Os investigadores colocaram átomos no grafeno que “doam” eletrões ao sistema — técnica chamada doping, usada para verificar se o material é um bom condutor. Funcionou sem danificar o material ou as suas propriedades.
As medições da equipa mostraram que o semicondutor de grafeno tem mobilidade 10 vezes maior que o silício. Em outras palavras, os eletrões movem-se com resistência muito baixa, o que, na eletrónica, se traduz em uma computação mais rápida. “É como dirigir em uma estrada de cascalho em vez de dirigir em uma rodovia”, disse de Walter de Heer. “É mais eficiente, não aquece tanto e permite velocidades mais altas para que os eletrões possam se mover mais rápido.”
O produto da equipa é atualmente o único semicondutor bidimensional que possui todas as propriedades necessárias para ser usado em nanoeletrônica, e as propriedades elétricas são muito superiores a quaisquer outros semicondutores 2D atualmente em desenvolvimento.
“Um problema antigo na eletrónica do grafeno é que o grafeno não tinha o intervalo de banda correto e não conseguia ligar e desligar na proporção correta”, disse Lei Ma. “Ao longo dos anos, muitos tentaram resolver isso com uma variedade de métodos. A nossa tecnologia atinge o intervalo de banda e é um passo crucial na realização da eletrónica baseada em grafeno.”
No sentido da vanguarda
O grafeno epitaxial pode causar uma mudança de paradigma no campo da eletrónica e permitir tecnologias completamente novas que aproveitem as suas propriedades únicas. O material permite que as propriedades de onda da mecânica quântica dos eletrões sejam utilizadas, o que é um requisito para a computação quântica.
“A nossa motivação para fazer eletrónica com grafeno já existe há muito tempo, e o resto foi apenas fazer acontecer”, disse Walter de Heer. “Tivemos que aprender como tratar o material, como torná-lo cada vez melhor e, finalmente, como medir as propriedades. Isso demorou muito, muito tempo.”
De acordo com de Walter de Heer, não é incomum ver mais uma geração de produtos eletrónicos a caminho. Antes do silício, existiam tubos de vácuo e, antes disso, existiam fios e telégrafos. O silício é uma das muitas etapas na história da eletrônica, e a próxima etapa pode ser o grafeno.
“Para mim, este é como um momento dos irmãos Wright”, disse de Walter de Heer. “Eles construíram um avião que podia voar 300 pés no ar. Mas os céticos perguntaram por que o mundo precisaria de voos quando já tinha trens e barcos rápidos. Mas eles persistiram e foi o início de uma tecnologia que pode levar as pessoas sobre os oceanos.”
