Como o grafeno está acelerando a era digital

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/11/2011

O grafeno é uma espécie de tela de galinheiro formado por uma única camada de átomos de carbono.
[Imagem: Jannik Meyer]

Grafeno-maravilha

O grafeno tem sido apontado como uma espécie de material-maravilha, útil para quase tudo.

Na eletrônica, contudo, sua utilidade não é óbvia porque ele tropeça logo na entrada.

Ocorre que o grafeno não tem bandgap, uma propriedade fundamental para que um transístor possa passar de um estado ligado para desligado - representar um 0 ou um 1 digitais.

Isto seria suficiente para que qualquer outro material fosse deixado de lado logo de início.

Mas não o grafeno: as muitas outras vantagens do material têm levado inúmeros grupos de pesquisas a trabalhar na superação dessa deficiência e, mais importante, na descoberta de outras qualidades dos materiais bidimensionais.

E os sucessos começam a se acumular. Aqui estão os exemplos mais recentes.

Inversor de grafeno, um elemento fundamental dos transistores digitais, que pode permitir o uso amplo dos transistores de grafeno.
[Imagem: Hong-Yan Chen]

Inversor de grafeno

Hong-Yan Chen e Joerg Appenzeller, da Universidade Purdue, nos Estados Unidos, criaram um inversor de grafeno que funciona a temperatura ambiente.

Um inversor é um elemento fundamental para que os transistores possam amplificar os sinais e controlar seu chaveamento entre 0 e 1.

Na eletrônica convencional, o silício é dopado com quantidades minúsculas de outros elementos. Mas dopar o grafeno - um material com uma única camada de átomos - é um desafio nada desprezível.

Chen e seus colegas desenvolveram uma técnica chamada dopagem eletrostática, que usa um campo elétrico gerado por dois eletrodos, colocados a apenas 40 nanômetros da camada de grafeno.

Os transistores de grafeno já são uma realidade - já foi criado até mesmo um circuito integrado de grafeno - mas eles têm-se mostrado práticos apenas para aplicações especializadas.

Os novos inversores representam um passo importante rumo ao uso dos transistores de grafeno em uma gama maior de aplicações digitais - o que inclui computadores e eletrônicos de consumo.

Esquema de um transístor de grafeno, com a ilustração superior mostrando as vacâncias, que geram magnetismo em um material de carbono puro.
[Imagem: Jianhao Chen/Michael S. Fuhrer]

Magnetismo em carbono puro

Outra descoberta mais impressionante criou uma forma de controlar as propriedades magnéticas do grafeno, o que permite seu uso tanto como memória de acesso aleatório (RAM), quanto para o armazenamento magnético de dados - em discos rígidos ou em memórias tipo flash, por exemplo.

Jianhao Chen e Michael S. Fuhrer, da Universidade de Maryland, descobriram que as ausências de alguns átomos na rede atômica do grafeno - chamadas vacâncias - funcionam como minúsculos ímãs - as vacâncias possuem "momento magnético".

Mais do que isso, esses momentos magnéticos interagem fortemente com os elétrons que conduzem eletricidade através do grafeno, gerando uma forte resistência elétrica, conhecida como efeito Kondo.

E o efeito Kondo surge no grafeno sem qualquer impureza, ou seja, sem a necessidade de dopagem do material.

Fuhrer afirma que, se as vacâncias no grafeno forem organizadas da maneira correta, isto poderá gerar o ferromagnetismo no material de carbono puro - cada "núcleo" Kondo pode se transformar em um bit magnético controlável.

"Momentos magnéticos individuais poderão ser acoplados juntos por meio do efeito Kondo, forçando-os a se alinharem na mesma direção," afirma ele. "Quando acoplado com as impressionantes propriedades elétricas do grafeno, o magnetismo poderá ter interessantes aplicações na spintrônica."

Assim, ao contrário da eletrônica do silício, que depende da colocação precisa de átomos no silício - a chamada dopagem - a eletrônica do grafeno poderá se basear na retirada de átomos em locais precisos da rede atômica do grafeno.

À esquerda, os transistores de grafeno hidrogenada, construído com portas de vários tamanhos (à direita).
[Imagem: Joshua Robinson/Penn State EOC]

Grafeno flutuante

Mesmo já detendo o recorde de transístor mais rápido do mundo, um transístor de grafeno pode ter sua velocidade multiplicada por três com a adição de hidrogênio.

Joshua Robinson e David Snyder, da Universidade da Pensilvânia, conseguiram triplicar não apenas a velocidade de chaveamento (clock) do transístor, como também o desempenho em radiofrequência de um transístor de grafeno construído sobre uma pastilha de carbeto de silício.

A técnica de hidrogenação consistir em transformar a camada de interface entre o carbeto de silício e o grafeno em uma segunda camada de grafeno que passa a "flutuar" livremente, usando o hidrogênio para sustentar as ligações de carbono.

O que seria a camada original de grafeno passa a ser uma segunda camada, perfeitamente ajustada sobre a camada intermediária flutuante.

Com esta esta técnica de hidrogenação, o chamado grafeno epitaxial apresentou um aumento entre 200 e 300% na mobilidade de cargas, alcançando 2.050 cm2/(V/s).

Esquema do modulador óptico de grafeno, que controla os pulsos de luz usando variações na tensão elétrica.
[Imagem: Ming Liu/Berkeley]

Controle da luz

A equipe do professor Xiang Zhang, da Universidade de Berkeley, construiu um minúsculo dispositivo óptico de grafeno com potencial para romper todos os limites nas comunicações digitais.

O componente demonstrou uma capacidade sem precedentes para o chaveamento, isto é, para a passagem de um estado ligado para um estado desligado.

Esta capacidade de chaveamento é uma característica fundamental de um modulador de rede, que controla a velocidade com que os pacotes de dados são transmitidos.

O grupo ajustou eletricamente o grafeno para absorver luz com o comprimento de onda usado nas telecomunicações por fibras ópticas.

Eles descobriram que a energia dos elétrons - o seu nível de Fermi - pode ser facilmente alterada dependendo da tensão aplicada ao material. O nível de Fermi do grafeno, por sua vez, determina se a luz será absorvida ou não.

Quando uma tensão negativa suficiente é aplicada, os elétrons são despejados do grafeno, não ficando mais disponíveis para absorver os fótons - a luz é "ligada" porque o grafeno se torna totalmente transparente, permitindo que os fótons o atravessem.

O grafeno também é transparente a determinadas tensões positivas, porque, nessa situação, os elétrons são tão densamente empacotados que eles não conseguem absorver os fótons.

Os pesquisadores encontraram um meio-termo, onde uma tensão positiva é dosada precisamente para que os elétrons consigam impedir a passagem dos fótons - efetivamente "ligando" a luz.

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