.
Uma busca urgente no campo da nanoeletrônica é a busca por um material que possa substituir o silício. O grafeno parece promissor há décadas. Mas seu potencial vacilou ao longo do caminho, devido a métodos de processamento prejudiciais e à falta de um novo paradigma eletrônico para adotá-lo. Com o silício quase esgotado em sua capacidade de acomodar computação mais rápida, a próxima grande plataforma nanoeletrônica é necessária agora mais do que nunca.
Walter de Heer, Professor Regente na Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia, deu um passo crítico ao defender um sucessor do silício. De Heer e seus colaboradores desenvolveram uma nova plataforma nanoeletrônica baseada em grafeno – uma única folha de átomos de carbono. A tecnologia é compatível com a fabricação de microeletrônica convencional, uma necessidade para qualquer alternativa viável ao silício. No decorrer de suas pesquisas, publicadas em Natureza Comunicações, a equipe também pode ter descoberto uma nova quasipartícula. Sua descoberta pode levar à fabricação de chips de computador menores, mais rápidos, mais eficientes e mais sustentáveis, e tem implicações potenciais para a computação quântica e de alto desempenho.
“O poder do grafeno está em sua estrutura plana e bidimensional que é mantida unida pelas ligações químicas mais fortes conhecidas”, disse de Heer. “Ficou claro desde o início que o grafeno pode ser miniaturizado em uma extensão muito maior do que o silício – permitindo dispositivos muito menores, operando em velocidades mais altas e produzindo muito menos calor. Isso significa que, em princípio, mais dispositivos podem ser colocados em um único chip de grafeno do que com silício.”
Em 2001, de Heer propôs uma forma alternativa de eletrônica baseada em grafeno epitaxial, ou epigrafeno – uma camada de grafeno que se formou espontaneamente no topo do cristal de carboneto de silício, um semicondutor usado em eletrônicos de alta potência. Na época, os pesquisadores descobriram que as correntes elétricas fluem sem resistência ao longo das bordas do epigrafeno e que os dispositivos de grafeno podem ser perfeitamente interconectados sem fios de metal. Essa combinação permite uma forma de eletrônica que depende das propriedades únicas de luz dos elétrons do grafeno.
“Interferência quântica foi observada em nanotubos de carbono em baixas temperaturas, e esperamos ver efeitos semelhantes em fitas e redes de epigrafeno”, disse de Heer. “Esta importante característica do grafeno não é possível com o silício”.
Construindo a plataforma
Para criar a nova plataforma nanoeletrônica, os pesquisadores criaram uma forma modificada de epigrafeno em um substrato de cristal de carboneto de silício. Em colaboração com pesquisadores do Centro Internacional de Tianjin para Nanopartículas e Nanosistemas da Universidade de Tianjin, na China, eles produziram chips exclusivos de carboneto de silício a partir de cristais de carboneto de silício de grau eletrônico. O próprio grafeno foi cultivado no laboratório de de Heer na Georgia Tech usando fornos patenteados.
Os pesquisadores usaram a litografia por feixe de elétrons, um método comumente usado em microeletrônica, para esculpir as nanoestruturas de grafeno e soldar suas bordas aos chips de carboneto de silício. Esse processo estabiliza e sela mecanicamente as bordas do grafeno, que de outra forma reagiriam com o oxigênio e outros gases que poderiam interferir no movimento das cargas ao longo da borda.
Finalmente, para medir as propriedades eletrônicas de sua plataforma de grafeno, a equipe usou um aparato criogênico que permite registrar suas propriedades desde uma temperatura próxima de zero até a temperatura ambiente.
Observando o estado de borda
As cargas elétricas que a equipe observou no estado de borda do grafeno eram semelhantes aos fótons em uma fibra óptica que pode viajar por grandes distâncias sem dispersão. Eles descobriram que as cargas viajavam por dezenas de milhares de nanômetros ao longo da borda antes de se espalharem. Os elétrons de grafeno nas tecnologias anteriores só podiam viajar cerca de 10 nanômetros antes de colidir com pequenas imperfeições e se espalhar em diferentes direções.
“O que há de especial nas cargas elétricas nas bordas é que elas permanecem na borda e continuam na mesma velocidade, mesmo que as bordas não sejam perfeitamente retas”, disse Claire Berger, professora de física da Georgia Tech e diretora de pesquisa da Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica em Grenoble, França.
Nos metais, as correntes elétricas são transportadas por elétrons carregados negativamente. Mas, ao contrário das expectativas dos pesquisadores, suas medições sugeriram que as correntes de borda não eram transportadas por elétrons ou lacunas (um termo para quasipartículas positivas que indica a ausência de um elétron). Em vez disso, as correntes foram transportadas por uma quasipartícula altamente incomum que não tem carga nem energia, mas se move sem resistência. Observou-se que os componentes da quasipartícula híbrida viajam em lados opostos das bordas do grafeno, apesar de ser um único objeto.
As propriedades únicas indicam que a quasipartícula pode ser uma que os físicos esperam explorar há décadas – o indescritível férmion de Majorana previsto pelo físico teórico italiano Ettore Majorana em 1937.
“Desenvolver eletrônicos usando esta nova quasipartícula em redes de grafeno perfeitamente interconectadas está mudando o jogo”, disse de Heer.
Provavelmente levará mais cinco a 10 anos até que tenhamos os primeiros eletrônicos baseados em grafeno, de acordo com de Heer. Mas, graças à nova plataforma de grafeno epitaxial da equipe, a tecnologia está mais perto do que nunca de coroar o grafeno como sucessor do silício.
.
