O dispositivo de grafeno da equipe cresceu em um chip de substrato de carboneto de silício. Crédito: Instituto de Tecnologia da Geórgia
Cientistas do Instituto de Tecnologia da Geórgia desenvolveram o primeiro semicondutor funcional do mundo feito de grafeno. O grafeno, caracterizado por uma única camada de átomos de carbono ligados pelas ligações mais fortes disponíveis, serve de base para este avanço. Os semicondutores, materiais essenciais que permitem o fluxo de eletricidade sob certas condições, são essenciais para o funcionamento de dispositivos eletrônicos. O avanço da equipe abre as portas para uma nova maneira de fazer eletrônica.
A sua 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 de física da Regents na Georgia Tech, liderou uma equipe de pesquisadores baseados em Atlanta, Geórgia, e Tianjin, China, para produzir um semicondutor de grafeno que seja compatível com métodos convencionais de processamento microeletrônico – uma necessidade para qualquer alternativa viável para silício.
Nesta última pesquisa, publicada em Natureza, de Heer e sua equipe superaram o obstáculo fundamental que tem atormentado a pesquisa do grafeno há décadas e a razão pela qual muitos pensaram que a eletrônica do grafeno nunca funcionaria. Conhecido como “band gap”, é uma propriedade eletrônica crucial que permite semicondutores para ligar e desligar. O grafeno não tinha band gap – até agora.
Modelos moleculares de grafeno e carboneto de silício. Crédito: Instituto de Tecnologia da Geórgia
“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 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
De Heer começou a explorar materiais à base de carbono como potenciais semicondutores no início de sua carreira, e então mudou para a exploração do grafeno bidimensional em 2001. Ele sabia então que o grafeno tinha potencial para a eletrônica.
“Fomos motivados pela esperança de introduzir três propriedades especiais do grafeno na eletrônica”, disse ele. “É um material extremamente robusto, que pode suportar correntes muito grandes e sem aquecer e desmoronar.”
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia criaram o primeiro semicondutor funcional do mundo feito de grafeno, uma única folha de átomos de carbono unidos pelas ligações mais fortes conhecidas. A inovação abre a porta para uma nova maneira de fazer eletrônica. Crédito: Instituto de Tecnologia da Geórgia
De Heer alcançou um grande avanço quando ele e sua equipe 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 equipe 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, eles persistiram no aperfeiçoamento do material na Georgia Tech e mais tarde em colaboração com colegas do Centro Internacional de Nanopartículas e Nanossistemas de Tianjin, na Universidade de Tianjin, na China. De Heer fundou o centro em 2014 com Lei Ma, diretor do centro e coautor do artigo.
Como eles fizeram isso
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 é aplicado a ele, que é como funcionam todos os transistores e eletrônicos de silício. A principal questão na pesquisa eletrônica 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 suas propriedades. Para provar que a sua plataforma poderia funcionar como um semicondutor viável, a equipe precisava medir suas propriedades eletrônicas sem danificá-la.
Forno de indução patenteado da De Heer usado para produzir grafeno em carboneto de silício. Crédito: Instituto de Tecnologia da Geórgia
Eles colocaram átomos no grafeno que “doam” elétrons ao sistema — técnica chamada doping, usada para verificar se o material era um bom condutor. Funcionou sem danificar o material ou suas propriedades.
As medições da equipe mostraram que seu semicondutor de grafeno tem mobilidade 10 vezes maior que o silício. Em outras palavras, os elétrons se movem com resistência muito baixa, o que, na eletrônica, se traduz em uma computação mais rápida. “É como dirigir em uma estrada de cascalho em vez de dirigir em uma rodovia”, disse de Heer. “É mais eficiente, não aquece tanto e permite velocidades mais altas para que os elétrons possam se mover mais rápido.”
O produto da equipe é atualmente o único semicondutor bidimensional que possui todas as propriedades necessárias para ser usado em nanoeletrônica, e suas propriedades elétricas são muito superiores a quaisquer outros semicondutores 2D atualmente em desenvolvimento.
“Um problema antigo na eletrônica do grafeno é que o grafeno não tinha o intervalo de banda correto e não conseguia ligar e desligar na proporção correta”, disse Ma. “Ao longo dos anos, muitos tentaram resolver isso com uma variedade de métodos. Nossa tecnologia atinge o intervalo de banda e é um passo crucial na realização da eletrônica baseada em grafeno.”
Um wafer de carboneto de silício de cristal único que foi cortado em chips quadrados. Crédito: Instituto de Tecnologia da Geórgia
Seguindo em frente
O grafeno epitaxial pode causar uma mudança de paradigma no campo da eletrônica e permitir tecnologias completamente novas que aproveitem suas propriedades únicas. O material permite que as propriedades de onda da mecânica quântica dos elétrons sejam utilizadas, o que é um requisito para Computação quântica.
“Nossa motivação para fazer eletrônica com grafeno já existe há muito tempo, e o resto foi apenas fazer acontecer”, disse 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 Heer, não é incomum ver mais uma geração de eletrônicos 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 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 através dos oceanos.”
Referência: “Grafeno epitaxial semicondutor de ultra-alta mobilidade em carboneto de silício” por Jian Zhao, Peixuan Ji, Yaqi Li, Rui Li, Kaimin Zhang, Hao Tian, Kaicheng Yu, Boyue Bian, Luzhen Hao, Xue Xiao, Will Griffin, Noel Dudeck, Ramiro Moro, Lei Ma e Walt A. de Heer, 3 de janeiro de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06811-0
