Cargas móveis em grafeno bicamada de ocorrência natural

Representação artística de cargas móveis em grafeno de duas camadas que ocorre naturalmente. Crédito: Lucas Kroll

Os pesquisadores mostraram que a camada dupla grafeno pode funcionar tanto como supercondutor quanto como isolante, uma propriedade que pode revolucionar a tecnologia de transistores. Esta dupla funcionalidade permite o desenvolvimento de nanoescala transistores altamente eficientes em termos energéticos.

Uma equipe de pesquisa internacional liderada pela Universidade de Göttingen demonstrou experimentalmente que os elétrons no grafeno de camada dupla que ocorre naturalmente se movem como partículas sem qualquer massa, da mesma forma que a luz viaja. Além disso, demonstraram que a corrente pode ser “ligada” e desligada, o que tem potencial para desenvolver transístores minúsculos e energeticamente eficientes – como o interruptor de luz da sua casa, mas em nanoescala. O Instituto de Tecnologia de Massachusetts (COM), EUA, e o Instituto Nacional de Ciência de Materiais (NIMS), do Japão, também estiveram envolvidos na pesquisa. Os resultados foram publicados na revista científica Comunicações da Natureza.

Anna Seiler

Dra. Crédito: Christian Eckel

Propriedades e desafios do grafeno

O grafeno foi identificado em 2004 e é uma única camada de átomos de carbono. Entre suas muitas propriedades incomuns, o grafeno é conhecido por sua condutividade elétrica extraordinariamente alta devido à velocidade alta e constante dos elétrons que viajam através deste material. Esta característica única fez com que os cientistas sonhassem em usar o grafeno para produzir transistores muito mais rápidos e eficientes em termos energéticos.

O desafio é que, para fabricar um transistor, o material precisa ser controlado para ter um estado altamente isolante, além de seu estado altamente condutivo. No grafeno, entretanto, tal “mudança” na velocidade do transportador não pode ser facilmente alcançada. Na verdade, o grafeno geralmente não tem estado isolante, o que limitou o potencial do grafeno como transistor.

Avanço na pesquisa de transistores de grafeno

A equipe da Universidade de Göttingen descobriu agora que duas camadas de grafeno, como as encontradas na forma natural de grafeno de camada dupla, combinam o melhor dos dois mundos: uma estrutura que suporta o movimento incrivelmente rápido dos elétrons que se movem como a luz, como se não tivessem. massa, além de um estado isolante.

Os pesquisadores mostraram que essa condição pode ser alterada pela aplicação de um campo elétrico aplicado perpendicularmente ao material, tornando a dupla camada de grafeno isolante.

Thomas Weitz

Professor Thomas Weitz. Crédito: T Weitz

Esta propriedade dos elétrons em movimento rápido foi teoricamente prevista já em 2009, mas foi necessária uma qualidade de amostra significativamente melhorada, possibilitada pelos materiais fornecidos pelo NIMS e pela estreita colaboração teórica com o MIT, antes que fosse possível identificá-la experimentalmente. Embora esses experimentos tenham sido realizados em temperaturas criogênicas – cerca de 273° abaixo de zero – eles mostram o potencial do grafeno de bicamada para produzir transistores altamente eficientes.

“Já estávamos cientes da teoria. No entanto, agora realizamos experimentos que realmente mostram a dispersão de elétrons semelhante à luz na bicamada de grafeno. Foi um momento muito emocionante para toda a equipa”, afirma o professor Thomas Weitz, da Faculdade de Física da Universidade de Göttingen.

Anna Seiler, pesquisadora de pós-doutorado e primeira autora também na Universidade de Göttingen, acrescenta: “Nosso trabalho é um primeiro passo, mas crucial. O próximo passo dos pesquisadores será verificar se o grafeno bicamada realmente pode melhorar os transistores ou investigar o potencial desse efeito em outras áreas da tecnologia.”

Referência: “Sondando a estrutura de banda multicone ajustável no grafeno bicamada de Bernal” por Anna M. Seiler, Nils Jacobsen, Martin Statz, Noelia Fernandez, Francesca Falorsi, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Zhiyu Dong, Leonid S. Levitov e R. Thomas Weitz, 11 de abril de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47342-0



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