Criado primeiro semicondutor funcional feito de grafeno

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/01/2024

Chip contendo os semicondutores de epigrafeno.
[Imagem: Jess Hunt-Ralston/Georgia Tech]

Semicondutor de grafeno

Pesquisadores conseguiram criar o primeiro semicondutor funcional feito de grafeno, uma única folha de átomos de carbono unidos pelas ligações mais fortes conhecidas.

Embora seja um condutor elétrico extremamente bom - além de contar com muitas outras propriedades eletroeletrônicas e mecânicas - o grafeno tem caminhado devagar rumo às aplicações práticas porque a tecnologia atual é baseada em semicondutores, como o silício e o germânio, que permitem chavear entre a passagem de corrente e sua interrupção, o comportamento que está na base do funcionamento dos transistores.

Assim, fabricar um semicondutor de grafeno é algo muito promissor, criando um novo modo de fazer eletrônica e computação. Só que até agora ninguém havia conseguido produzir um semicondutor de grafeno que fosse compatível com as técnicas convencionais da microeletrônica, o que é essencial para qualquer alternativa viável ao silício.

O novo material deverá não apenas abrir caminho para componentes eletrônicos mais eficientes, mas também levar a miniaturização a um novo patamar, aproximando-nos ainda mais das dimensões atômicas.

"O poder do grafeno reside na sua estrutura plana e bidimensional que é mantida unida pelas ligações químicas mais fortes conhecidas," explicou o professor Walter de Heer, do Instituto de Tecnologia da Geórgia, nos EUA. "Ficou claro desde o início que o grafeno pode ser miniaturizado numa extensão muito maior do que o silício, viabilizando componentes muito menores, operando a velocidades mais elevadas e produzindo muito menos calor. Isto significa que, em princípio, mais componentes podem ser embalados em um único chip de grafeno do que com silício."

Esquema, micrografia e estrutura dos componentes semicondutores de grafeno.
[Imagem: Vladimir S. Prudkovskiy et al. - 10.1038/s41467-022-34369-4]

Epigrafeno

Para criar a nova plataforma nanoeletrônica, os pesquisadores criaram uma forma modificada de epigrafeno, uma camada de grafeno que se forma espontaneamente na superfície de um cristal de carbeto de silício, um semicondutor usado em eletrônica de alta potência.

A inovação principal consistiu na fabricação de pastilhas de carbeto de silício a partir de cristais muito puros, conhecidos como cristais de nível eletrônico. Sobre eles foi cultivada uma camada de grafeno igualmente pura.

Os pesquisadores usaram então litografia por feixe de elétrons, um método comumente usado em microeletrônica, para esculpir as nanoestruturas no grafeno e soldar suas bordas aos chips de carbeto de silício. Este processo estabiliza e sela mecanicamente as bordas do grafeno, que de outra forma reagiriam com o oxigênio e outros gases, o que interfere no movimento dos elétrons ao longo da borda.

As medições mostraram que as cargas elétricas viajando nas bordas do grafeno eram semelhantes aos fótons em uma fibra óptica, que podem viajar por grandes distâncias sem dispersão. Os elétrons viajam dezenas de milhares de nanômetros ao longo da borda antes de se espalharem, enquanto tipicamente os elétrons do grafeno só viajam cerca de 10 nanômetros antes de esbarrarem em pequenas imperfeições e se espalharem em diferentes direções.

O que faz o semicondutor de grafeno tão especial pode ser uma quasipartícula procurada pelos físicos há quase um século.
[Imagem: Jess Hunt-Ralston/Georgia Tech]

Férmion de Majorana?

Nos metais, as correntes elétricas são transportadas por elétrons, carregados negativamente. Mas, contrariamente às expectativas dos pesquisadores, as medições indicam que as correntes de borda não estão sendo transportadas por elétrons ou por lacunas (o termo para as quasipartículas portadoras de cargas positivas, que correspondem à ausência de um elétron).

Em vez disso, as correntes parecem ser transportadas por uma quasipartícula altamente incomum, que não tem carga nem energia, mas que se move sem resistência: Os componentes da quasipartícula híbrida viajam em lados opostos das bordas do grafeno, apesar dessa quasipartícula ser um único objeto.

Isso é particularmente curioso porque essas propriedades únicas indicam que a quasipartícula pode ser aquela que os físicos esperam encontrar há décadas, o indescritível férmion de Majorana, previsto pelo físico italiano Ettore Majorana em 1937.

Em termos práticos, contudo, o semicondutor de grafeno até agora só funciona em temperaturas criogênicas, o que não aconselha criar expectativas de uma eletrônica do grafeno em um horizonte menor do que uma década.

Mais tópicos