p (PhysOrg.com) - Mova o silício. Há um novo material eletrônico na cidade, e é rápido. Esse material, o foco do Prêmio Nobel de Física de 2010, é grafeno - um nome chique para camadas extremamente finas de átomos de carbono comuns organizados em uma rede de "arame de galinheiro". Essas camadas, às vezes, apenas um único átomo de espessura, conduzem eletricidade praticamente sem resistência, muito pouca geração de calor - e menos consumo de energia do que o silício. p Com a fabricação de dispositivos de silício se aproximando de seus limites físicos, muitos pesquisadores acreditam que o grafeno pode fornecer um novo material de plataforma que permitiria à indústria de semicondutores continuar sua marcha em direção a dispositivos eletrônicos cada vez menores e mais rápidos - progresso descrito na Lei de Moore. Embora o grafeno provavelmente nunca substitua o silício para as aplicações eletrônicas do dia-a-dia, ele pode assumir o papel de material de escolha para dispositivos de alto desempenho.

p E o grafeno pode, em última análise, gerar uma nova geração de dispositivos projetados para tirar proveito de suas propriedades exclusivas.

p Desde 2001, Georgia Tech tornou-se líder mundial no desenvolvimento de grafeno epitaxial, um tipo específico de grafeno que pode ser cultivado em grandes wafers e padronizado para uso na fabricação de eletrônicos. Em um artigo recente publicado na revista Nature Nanotechnology, Pesquisadores da Georgia Tech relataram fabricar uma série de 10, 000 transistores com portas superiores em um chip de 0,24 centímetro quadrado, uma conquista que se acredita ser a maior densidade relatada até agora em dispositivos de grafeno.

p Ao criar essa matriz, eles também demonstraram uma nova abordagem inteligente para o crescimento de padrões complexos de grafeno em modelos gravados em carboneto de silício. A nova técnica ofereceu a solução para um dos problemas mais difíceis que a eletrônica do grafeno enfrentava.

p "Este é um passo significativo para a fabricação de eletrônicos com grafeno, "disse Walt de Heer, um professor da Escola de Física da Georgia Tech que foi pioneiro no desenvolvimento de grafeno para eletrônicos de alto desempenho. "Esta é outra etapa que mostra que nosso método de trabalho com grafeno epitaxial cultivado em carboneto de silício é a abordagem certa e que provavelmente será usada para fazer eletrônicos de grafeno."

p Nanotubos de carbono desenrolados

p Para de Heer, a história do grafeno começa com nanotubos de carbono, minúsculas estruturas cilíndricas consideradas milagrosas quando começaram a ser estudadas por cientistas em 1991. De Heer estava entre os pesquisadores entusiasmados com as propriedades dos nanotubos, cujo arranjo único de átomos de carbono deu a eles propriedades físicas e eletrônicas que os cientistas acreditavam que poderiam ser a base para uma nova geração de dispositivos eletrônicos.

p Os nanotubos de carbono ainda têm propriedades atraentes, mas a capacidade de cultivá-los de forma consistente - e incorporá-los em aplicações eletrônicas de alto volume - tem escapado aos pesquisadores. De Heer percebeu antes de outros que os nanotubos de carbono provavelmente nunca seriam usados ​​para dispositivos eletrônicos de alto volume.

p Mas ele também percebeu que a chave para as propriedades eletrônicas atraentes dos nanotubos era a rede criada pelos átomos de carbono. Por que não simplesmente crescer essa estrutura em uma superfície plana, e usar técnicas de fabricação comprovadas na indústria de microeletrônica para criar dispositivos da mesma maneira que circuitos integrados de silício?

p Ao aquecer carboneto de silício - um material eletrônico amplamente utilizado - de Heer e seus colegas foram capazes de expulsar átomos de silício da superfície, deixando apenas a rede de carbono em finas camadas de grafeno grandes o suficiente para desenvolver os tipos de dispositivos eletrônicos familiares a uma geração de projetistas eletrônicos.

p Esse processo foi a base para um pedido de patente em 2003, e para suporte de pesquisa inicial do fabricante de chips Intel. Desde então, O grupo de Heer publicou dezenas de artigos e ajudou a gerar outros grupos de pesquisa também usando grafeno epitaxial para dispositivos eletrônicos. Embora os cientistas ainda estejam aprendendo sobre o material, empresas como a IBM lançaram programas de pesquisa baseados em grafeno epitaxial, e agências como a National Science Foundation (NSF) e a Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) investiram no desenvolvimento do material para futuras aplicações eletrônicas.

p O trabalho da Georgia Tech no desenvolvimento de grafeno epitaxial para a fabricação de dispositivos eletrônicos foi reconhecido no documento de fundo produzido pela Royal Swedish Academy of Sciences como parte da documentação do Prêmio Nobel.

p A corrida para encontrar aplicações comerciais para o grafeno é intensa, com pesquisadores dos Estados Unidos, Europa, Japão e Cingapura engajaram-se em esforços bem financiados. Desde a atribuição do Nobel a um grupo do Reino Unido, a enxurrada de comunicados à imprensa sobre os desenvolvimentos do grafeno cresceu.

p "Nosso grafeno epitaxial agora é usado em todo o mundo por muitos laboratórios de pesquisa, "De Heer observou." Provavelmente estamos no estágio em que o silício estava na década de 1950. Este é o início de algo que será muito grande e importante. "

p Silício "ficando sem gás"

p Um novo material eletrônico é necessário porque o silício está acabando na sala de miniaturização.

p "Principalmente, obtivemos os aumentos de velocidade do silício, reduzindo continuamente os tamanhos dos recursos e melhorando a tecnologia de interconexão, "disse Dennis Hess, diretor do Centro de Pesquisa e Ciência e Engenharia de Materiais patrocinado pela National Science Foundation (MRSEC) estabelecido na Georgia Tech para estudar futuros materiais eletrônicos, começando com grafeno epitaxial. "Estamos em um ponto em que, em menos de 10 anos, não poderemos reduzir os tamanhos dos recursos mais por causa da física de operação do dispositivo. Isso significa que teremos que alterar o tipo de dispositivo que fabricamos, ou alterar o material eletrônico que usamos. "

p É uma questão de física. Nas escalas de tamanho muito pequenas necessárias para criar matrizes de dispositivos cada vez mais densas, o silício gera muita resistência ao fluxo de elétrons, criando mais calor do que pode ser dissipado e consumindo muita energia.

p O grafeno não tem tais restrições, e de fato, pode fornecer mobilidade de elétrons até 100 vezes melhor do que o silício. De Heer acredita que seu grupo desenvolveu o roteiro para o futuro da eletrônica de alto desempenho - e que ele é pavimentado com grafeno epitaxial.

p "Basicamente, desenvolvemos todo um esquema para fazer eletrônicos a partir do grafeno, "disse ele." Estabelecemos o que acreditamos ser as regras básicas de como isso vai funcionar, e temos as principais patentes em vigor. "

p Silício, claro, amadureceu ao longo de muitas gerações por meio de pesquisas e melhorias constantes. De Heer e Hess concordam que o silício sempre estará por perto, útil para produtos de consumo de baixo custo, como iPods, torradeiras, computadores pessoais e similares.

p De Heer espera que o grafeno encontre seu nicho fazendo coisas que de outra forma não poderiam ser feitas.

p "Não estamos tentando fazer algo mais barato ou melhor; vamos fazer coisas que não podem ser feitas com o silício, "disse ele." Fazer dispositivos eletrônicos tão pequenos quanto uma molécula, por exemplo, não pode ser feito com silício, mas, em princípio, poderia ser feito com grafeno. A questão chave é como estender a Lei de Moore em um mundo pós-CMOS. "

p Ao contrário dos nanotubos de carbono que ele estudou na década de 1990, de Heer não vê grandes problemas à frente para o desenvolvimento do grafeno epitaxial.

p "Não há mais dúvidas de que o grafeno será um grande ator na eletrônica do futuro, "disse ele." Não vemos nenhum obstáculo real à frente. Não há luzes vermelhas piscando ou outros sinais que parecem dizer que isso não funcionará. Todos os problemas que vemos estão relacionados à melhoria de questões técnicas, e sabemos como fazer isso. "

p Fazendo o melhor grafeno

p Desde o início da exploração do grafeno em 2001, de Heer e sua equipe de pesquisa têm feito melhorias contínuas na qualidade do material que produzem, e essas melhorias permitiram que eles demonstrassem uma série de propriedades físicas - como o Efeito Hall Quantum - que verificam as propriedades exclusivas do material.

p "As propriedades que vemos em nosso grafeno epitaxial são semelhantes ao que calculamos para uma folha teórica ideal de grafeno suspensa no ar, "disse Claire Berger, um cientista pesquisador na Georgia Tech School of Physics que também tem uma nomeação como docente no Centre National de la Recherche Scientifique, na França. "Vemos essas propriedades no transporte de elétrons e vemos essas propriedades em todos os tipos de espectroscopia. Tudo o que supostamente está ocorrendo em uma única folha de grafeno, estamos vendo em nossos sistemas."

p Chave para o futuro do material, claro, é a capacidade de fazer dispositivos eletrônicos que funcionem de forma consistente. Os pesquisadores acreditam que quase chegaram a esse ponto.

p "All of the properties that epitaxial graphene needs to make it viable for electronic devices have been proven in this material, " said Ed Conrad, a professor in Georgia Tech's School of Physics who is also a MRSEC member. "We have shown that we can make macroscopic amounts of this material, and with the devices that are scalable, we have the groundwork that could really make graphene take off."

p Reaching higher and higher device density is also important, along with the ability to control the number of layers of graphene produced. The group has demonstrated that in their multilayer graphene, each layer retains the desired properties.

p "Multilayer graphene has different stacking than graphite, the material found in pencils, " Conrad noted. "In graphite, every layer is rotated 60 degrees and that's the only way that nature can do it. When we grow graphene on silicon carbide, the layers are rotated 30 degrees. When that happens, the symmetry of the system changes to make the material behave the way we want it to."

p Epitaxial Versus Exfoliated

p Much of the world's graphene research -- including work leading to the Nobel -- involved the study of exfoliated graphene:layers of the material removed from a block of graphite, originally with tape. While that technique produces high-quality graphene, it's not clear how that could be scaled up for industrial production.

p While agreeing that the exfoliated material has produced useful information about graphene properties, de Heer dismisses it as "a science project" unlikely to have industrial electronics application.

p "Electronics companies are not interested in graphene flakes, " he said. "They need industrial graphene, a material that can be scaled up for high-volume manufacturing. Industry is now getting more and more interested in what we are doing."

p De Heer says Georgia Tech's place in the new graphene world is to focus on electronic applications.

p "We are not really trying to compete with these other groups, " he said. "We are really trying to create a practical electronic material. Fazer isso, we will have to do many things right, including fabricating a scalable material that can be made as large as a wafer. It will have to be uniform and able to be processed using industrial methods."

p Resolving Technical Issues

p Among the significant technical issues facing graphene devices has been electron scattering that occurs at the boundaries of nanoribbons. If the edges aren't perfectly smooth -- as usually happens when the material is cut with electron beams -- the roughness bounces electrons around, creating resistance and interference.

p To address that problem, de Heer and his team recently developed a new "templated growth" technique for fabricating nanometer-scale graphene devices. The technique involves etching patterns into the silicon carbide surfaces on which epitaxial graphene is grown. The patterns serve as templates directing the growth of graphene structures, allowing the formation of nanoribbons of specific widths without the use of e-beams or other destructive cutting techniques. Graphene nanoribbons produced with these templates have smooth edges that avoid electron-scattering problems.

p "Using this approach, we can make very narrow ribbons of interconnected graphene without the rough edges, " said de Heer. "Anything that can be done to make small structures without having to cut them is going to be useful to the development of graphene electronics because if the edges are too rough, electrons passing through the ribbons scatter against the edges and reduce the desirable properties of graphene."

p In nanometer-scale graphene ribbons, quantum confinement makes the material behave as a semiconductor suitable for creation of electronic devices. But in ribbons a micron or so wide, the material acts as a conductor. Controlling the depth of the silicon carbide template allows the researchers to create these different structures simultaneously, using the same growth process.

p "The same material can be either a conductor or a semiconductor depending on its shape, " noted de Heer. "One of the major advantages of graphene electronics is to make the device leads and the semiconducting ribbons from the same material. That's important to avoid electrical resistance that builds up at junctions between different materials."

p After formation of the nanoribbons, the researchers apply a dielectric material and metal gate to construct field-effect transistors. While successful fabrication of high-quality transistors demonstrates graphene's viability as an electronic material, de Heer sees them as only the first step in what could be done with the material.

p "When we manage to make devices well on the nanoscale, we can then move on to make much smaller and finer structures that will go beyond conventional transistors to open up the possibility for more sophisticated devices that use electrons more like light than particles, " he said. "If we can factor quantum mechanical features into electronics, that is going to open up a lot of new possibilities."

p Collaborations with Other Groups

p Before engineers can use epitaxial graphene for the next generation of electronic devices, they will have to understand its unique properties. As part of that process, Georgia Tech researchers are collaborating with scientists at the National Institute of Standards and Technology (NIST). The collaboration has produced new insights into how electrons behave in graphene.

p In a recent paper published in the journal Física da Natureza , the Georgia Tech-NIST team described for the first time how the orbits of electrons are distributed spatially by magnetic fields applied to layers of epitaxial graphene. They also found that these electron orbits can interact with the substrate on which the graphene is grown, creating energy gaps that affect how electron waves move through the multilayer material.

p "The regular pattern of magnetically-induced energy gaps in the graphene surface creates regions where electron transport is not allowed, " said Phillip N. First, a professor in the Georgia Tech School of Physics and MRSEC member. "Electron waves would have to go around these regions, requiring new patterns of electron wave interference. Understanding this interference would be important for some bi-layer graphene devices that have been proposed."

p Earlier NIST collaborations led to improved understanding of graphene electron states, and the way in which low temperature and high magnetic fields can affect energy levels. The researchers also demonstrated that atomic-scale moiré patterns, an interference pattern that appears when two or more graphene layers are overlaid, can be used to measure how sheets of graphene are stacked.

p In a collaboration with the U.S. Naval Research Laboratory and University of Illinois at Urbana-Champaign, a group of Georgia Tech professors developed a simple and quick one-step process for creating nanowires on graphene oxide.

p "Mostramos que aquecendo localmente o óxido de grafeno isolante, both the flakes and the epitaxial varieties, com uma ponta de microscópio de força atômica, we can write nanowires with dimensions down to 12 nanometers, "disse Elisa Riedo, an associate professor in the Georgia Tech School of Physics and a MRSEC member. "And we can tune their electronic properties to be up to four orders of magnitude more conductive."

p A New Industrial Revolution?

p Though graphene can be grown and fabricated using processes similar to those of silicon, it is not easily compatible with silicon. That means companies adopting it will also have to build new fabrication facilities -- an expensive investment. Consequentemente, de Heer believes industry will be cautious about moving into a new graphene world.

p "Silicon technology is completely entrenched and well developed, " he admitted. "We can adopt many of the processes of silicon, but we can't easily integrate ourselves into silicon. Because of that, we really need a major paradigm shift. But for the massive electronics industry, that will not happen easily or gently."

p He draws an analogy to steamships and passenger trains at the dawn of the aviation age. Em algum ponto, it became apparent that airliners were going to replace both ocean liners and trains in providing first-class passenger service. Though the cost of air travel was higher, passengers were willing to pay a premium for greater speed.

p "We are going to see a coexistence of technologies for a while, and how the hybridization of graphene and silicon electronics is going to happen remains up in the air, " de Heer predicted. "That is going to take decades, though in the next ten years we are probably going to see real commercial devices that involve graphene."