Cientistas conseguem transformar o grafeno em semicondutor, abrindo a porta para uma nova revolução eletrônica

Figura 1. Epigrafeno semicondutor (SEG) sobre um substrato de carbeto de silício.

Pesquisadores no Instituto de Tecnologia da Georgia criaram o primeiro semicondutor funcional feito de grafeno! O enorme avanço - reportado e descrito em um estudo na Nature (Ref.1) e fruto de um trabalho de 10 anos - possibilita agora novas formas de desenvolver dispositivos eletrônicos. E vem em uma hora muito precisa: o material que atualmente constitui quase todos os eletrônicos modernos é baseado em silício, este o qual está alcançando seu limite de exploração tecnológica humana para dispositivos computacionais cada vez mais rápidos e menores. O novo semicondutor de grafeno é compatível com métodos convencionais de processamento microeletrônico - uma necessidade para qualquer alternativa viável ao silício. Além disso, possui até 10 vezes mais mobilidade do que o semicondutor a base de silício, e exibe propriedades únicas não possíveis com esse último.

"Nós agora temos um robusto semicondutor de grafeno com 10 vezes mais mobilidade do que o silício, e o qual possui propriedades únicos não disponíveis para o silício," disse em entrevista Walter de Heer, professor de Física no Instituto de Tecnologia da Georgia (Georgia Thech), EUA, e um dos autores principais do novo estudo (Ref.2).

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Grafeno é um alótropo do carbono constituído de uma única camada plana [espessura de um átomo] de átomos de carbono ligados entre si por ligações covalentes. Considerado um material promissor em diversas áreas tecnológicas, em especial em supercondutores (1), a revolução e a grande fama do grafeno foram originalmente alimentadas pela busca de novos materiais eletrônicos que poderiam suceder o silício como crítico semicondutor. Além de ser um material extremamente robusto e flexível, o grafeno pode lidar com correntes elétricas muito grandes sem se aquecer significativamente [reduzida dispersão térmica de energia elétrica] e ser degradado.

Figura 2. Grafeno é um semimetal constituído por átomos de carbono e com uma estrutura bidimensional (2D) e com propriedade condutora.

(1) Para mais informações: Qual é a relação entre grafeno e supercondutividade?

Porém, o grafeno enfrenta um sério problema: não possui um band gap intrínseco, impossibilitando inicialmente sua utilização como um semicondutor. O band gap permite que o material semicondutor em um dispositivo eletrônico seja rapidamente "ligado" (condutor) ou "desligado" (isolante) através de pulsos, similar aos interruptores mecânicos das lâmpadas de uma casa. Quando ligado, permite a passagem de eletricidade ("acende"); quando desligado, não é mais possível condução elétrica ("apaga"). Nas últimas duas décadas, esforços têm sido empregados para introduzir um band gap no grafeno ou através de confinamento quântico ou por funcionalização química, mas têm falhado em produzir um semicondutor viável com esse material. Nesse contexto, esses esforços foram gradualmente sendo desviados para outros promissores materiais 2D (ex.: TiS3, GaSe, MoS2, Ga2N3, Ti3C2) que são intrinsecamente semicondutores (Ref.3).

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> A tecnologia dos semicondutores modernos pode ter sua origem traçada até a invenção do transistor de ponto de contato em 1947. Essa demonstração pavimentou o caminho para o desenvolvimento de dispositivos e circuitos semicondutores discretos e integrados que hoje permeiam basicamente todos os dispositivos eletrônicos usados no dia-a-dia.

> Semicondutores são materiais que possuem uma condutividade elétrica entre condutores (geralmente metais) e não-condutores ou isolantes (como plásticos, madeira e a maioria das cerâmicas). A condutividade elétrica dos semicondutores, ao contrário dos condutores metálicos e devido ao significativo band gap, aumenta com a temperatura. Semicondutores podem ser elementos puros, como silício (Si) ou germânio (Ge), ou compostos, como arsenieto de gálio (GaAs) ou seleneto de cádmio (CdSe). Em um processo chamado de dopagem, pequenas quantidades de impurezas são adicionadas a semicondutores puros causando grandes mudanças na condutividade do material (alteração do número de transportadores de cargas).

> O band gap é um crítico fator que determina as propriedades elétricas e ópticas de um semicondutor. É essencialmente uma "catraca atômica" que só permite a passagem de elétrons para serem eletricamente conduzidos após o "pagamento" de um valor energético (medido em elétron volt, ou eV). Elétrons são partículas com carga negativa que ficam orbitando o núcleo de átomos; essas partículas se movimentam sob um campo elétrico para produzir eletricidade.

> O band gap (ou banda proibida) representa a diferença de energia mínima entre a banda de condução (constituída de orbitais de mais alta energia) e a banda de valência (constituída de orbitais de menor energia e mais provável de estar ocupada por elétrons). Em sólidos, os elétrons apenas podem atuar como transportadores de carga - e, portanto, conduzir eletricidade - quando há estados eletrônicos vacantes na banda, uma circunstância plausível somente quando há promoção de parte dos elétrons da banda de valência para a banda de condução. Em metais, a diferença energética (band gap) é essencialmente nula, permitindo que elétrons sejam transportados facilmente para a banda de condução sob a ação de um campo elétrico. Em isolantes, como a madeira, o band gap é muito elevado, impossibilitando a condução elétrica. Em semicondutores, o band gap é pequeno (Band Gap < 4 eV).

> Para mais informações sobre o band gap e a parte teórica dos semicondutores (incluindo a diferença entre semicondutores p e n), acesse a Ref.6.

> Silício é o mais comum semicondutor, dominando o mercado de processamento de dados (ex.: chips de computadores) assim como a indústria de fotovoltaicos (paneis solares). O band gap do silício é de 1,12 eV (elétron volt).

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No novo estudo, os pesquisadores exploraram e otimizaram as propriedades semicondutoras de uma forma de grafeno chamada de "grafeno epitaxial" (epigrafeno), caracterizada por uma única camada de grafeno que cresce sobre face cristalina do carbeto de silício (SiC) - um composto inorgânico formado por ligações covalentes entre átomos de silício e de carbono.

O epigrafeno se forma espontaneamente sobre cristais de SiC quanto o silício sublima da superfície cristalina a altas temperaturas, resultando em uma superfície rica de carbono que se recristaliza em grafeno. A primeira camada de grafeno que se forma no processo acaba ligada à superfície de SiC e exibe potenciais propriedades semicondutoras.

Os pesquisadores desenvolveram um método de produção que permitiu a criação de um epigrafeno de alta qualidade capaz de suportar dopagem [com oxigênio] e manter boa condutividade, integridade do material e as propriedades únicas do grafeno. Medidas físico-químicas diversas mostraram que domínios macroscópicos do material exibiam um band gap de 0,6 eV e mobilidades a temperatura ambiente de até µ=5500 cm2/V/s (um valor que é 3 vezes maior do que aquele do silício e um fator 20 vezes maior do que aquele teoricamente possível com qualquer outro semicondutor 2D sendo atualmente investigado). Essa ultra mobilidade significa que os elétrons no epigrafeno se movem com resistência muito baixa, reduzido aquecimento e aumentando a velocidade dessas partículas durante a condução; isso em eletrônicos diversos se traduz como computação de dados mais rápida.

Figura 3. Em (A), o Dr. Walter de Heer segura uma amostra de carbeto de silício (SiC). Em (B), um cristal único de SiC cortado em chips quadrados. Em (C), forno usado para a síntese de grafeno sobre a superfície do SiC. O epigrafeno semicondutor (SEG) é produzido via aquecimento de um chip de SiC ao redor de 1600°C a 1 bar de pressão em atmosfera de argônio [um gás inerte] ultrapuro. Suas propriedades eletrônicas são muito superiores do que qualquer outro semicondutor 2D em desenvolvimento. [Fotos: Georgia Institute of Technology]

O epigrafeno semicondutor desenvolvido é compatível com métodos convencionais de processamento microeletrônico e pode ser também incorporado em tecnologias nanoeletrônicas. Além disso, o epigrafeno pode ser intercalado com um amplo espectro de átomos e moléculas para formar uma ampla variedade de materiais com novas e úteis propriedades magnéticas e eletrônicas. Nesse sentido, o novo semicondutor pode abrir as portas para uma revolução no campo eletrônico e permitir tecnologias completamente novas. Em especial, o material permite explorar as propriedades quânticas dos elétrons, um requerimento para a computação quântica.

Existe significativo potencial para o epigrafeno semicondutor se tornar comercialmente viável em um futuro bem próximo. A corrida de desenvolvimento de semicondutores 2D parece que teve um campeão.

REFERÊNCIAS