(PhysOrg.com) - Grafeno, o material que compõe a "grafite do lápis, "algum dia poderia tornar os dispositivos eletrônicos menores, mais rápido e com maior eficiência energética. Fornecendo a primeira análise detalhada de grafeno em nitreto de boro, uma equipe de físicos liderada pela UA fez descobertas promissoras.

Grafeno - uma folha de átomos de carbono ligados em um hexagonal, estrutura de tela de arame - é uma grande promessa para a microeletrônica. Apenas um átomo de espessura e altamente condutivo, o grafeno pode um dia substituir os microchips de silício convencionais, tornando os dispositivos menores, mais rápido e com maior eficiência energética.

Além de possíveis aplicações em circuitos integrados, células solares, bio dispositivos miniaturizados e sensores de moléculas de gás, o material atraiu a atenção dos físicos por suas propriedades únicas na condução de eletricidade em nível atômico.

Também conhecido como grafite de lápis, "o grafeno tem muito pouca resistência e permite que os elétrons se comportem como partículas sem massa como os fótons, ou partículas de luz, enquanto viaja através da grade hexagonal em velocidades muito altas.

O estudo das propriedades físicas e aplicações potenciais do grafeno, Contudo, sofreu com a falta de materiais transportadores adequados que podem suportar uma camada plana de grafeno, embora não interfiram com suas propriedades elétricas.

Pesquisadores do departamento de física da Universidade do Arizona, juntamente com colaboradores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, agora deram um passo importante para superar esses obstáculos.

Eles descobriram que, ao colocar a camada de grafeno em um material quase idêntico em estrutura, em vez do dióxido de silício comumente usado encontrado em microchips, eles poderiam melhorar significativamente suas propriedades eletrônicas.

Substituindo bolachas de silício por nitreto de boro, uma estrutura semelhante ao grafeno que consiste em átomos de boro e nitrogênio no lugar dos átomos de carbono, o grupo foi o primeiro a medir a topografia e as propriedades elétricas da camada lisa de grafeno resultante com resolução atômica.

Os resultados são publicados na publicação online antecipada de Materiais da Natureza .

"Estruturalmente, nitreto de boro é basicamente igual ao grafeno, mas eletronicamente, é completamente diferente, "disse Brian LeRoy, professor assistente de física e autor sênior do estudo. "O grafeno é um condutor, o nitreto de boro é um isolante. "

"Queremos que nosso grafeno assente em algo isolante, porque estamos interessados ​​em estudar apenas as propriedades do grafeno. Por exemplo, se você quiser medir sua resistência, e você coloca no metal, você só vai medir a resistência do metal porque ele vai conduzir melhor do que o grafeno. "

Ao contrário do silício, que é tradicionalmente usado em aplicações eletrônicas, grafeno é uma única folha de átomos, tornando-se um candidato promissor na busca por dispositivos eletrônicos cada vez menores. Pense em ir de uma brochura para um cartão de crédito.

"É tão pequeno quanto você pode encolher, "LeRoy disse." É uma única camada, você nunca obterá meia camada ou algo assim. Você poderia dizer que o grafeno é o máximo em torná-lo pequeno, no entanto, ainda é um bom condutor. "

Empilhados uns sobre os outros, 3 milhões de folhas de grafeno equivaleriam a apenas 1 milímetro. O material mais fino da Terra, grafeno trouxe o Prêmio Nobel de 2010 para Andre Geim e Konstantin Novoselov, que foram capazes de demonstrar suas propriedades excepcionais em relação à física quântica.

"Usando um microscópio de tunelamento de varredura, podemos olhar para os átomos e estudá-los, "ele acrescentou." Quando colocamos grafeno no óxido de silício e olhamos para os átomos, vemos saliências com cerca de um nanômetro de altura. "

Embora um nanômetro - um bilionésimo de um metro - possa não parecer muito, a um elétron zunindo ao longo de uma grade de átomos, é um solavanco na estrada.

"É basicamente como um pedaço de papel que tem pequenas rugas, "LeRoy explica." Mas se você colocar o jornal, neste caso, o grafeno, em nitreto de boro, é muito mais plano. Ele suaviza os solavancos em uma ordem de magnitude. "

LeRoy admite que o segundo efeito obtido por sua equipe de pesquisa é um pouco mais difícil de explicar.

"Quando você tem grafeno sobre óxido de silício, há cargas elétricas presas dentro do óxido de silício em alguns lugares, e estes induzem alguma carga no grafeno sobreposto. Você tem uma grande variação na densidade dos elétrons. Se o grafeno assenta no nitreto de boro, a variação é duas ordens de magnitude menor. "

Em seu laboratório, LeRoy demonstra o primeiro - e surpreendentemente de baixa tecnologia - passo na caracterização das amostras de grafeno:ele coloca um minúsculo floco de grafite - o material que compõe o "grafite" do lápis - em uma fita adesiva, dobra-o sobre si mesmo e descasque-o novamente, em um processo que lembra um Teste de Rorschach.

"Você dobra isso ao meio, " ele explicou, "e de novo, e de novo, até que fique fino. O grafeno quer descascar nessas camadas, porque as ligações entre os átomos na camada horizontal são fortes, mas fraco entre átomos pertencentes a camadas diferentes. Quando você coloca isso em um microscópio óptico, haverá regiões com um, dois, três, quatro ou mais camadas. Depois, basta pesquisar os de camada única usando o microscópio. "

"É difícil encontrar a amostra porque é muito, muito pequeno, "disse Jiamin Xue, estudante de doutorado no laboratório de LeRoy e principal autor do artigo. "Assim que o encontrarmos, nós o colocamos entre dois eletrodos de ouro para que possamos medir a condutância. "

Para medir a topografia da superfície de grafeno, a equipe usa um microscópio de tunelamento de varredura, que tem uma ponta ultrafina que pode ser movida.

“Movemos a ponta bem perto do grafeno, até que os elétrons comecem a tunelar para ele, "Xue explicou." É assim que podemos ver a superfície. Se houver um solavanco, a ponta sobe um pouco. "

Para a medição espectroscópica, Xue segura a ponta a uma distância fixa acima da amostra. Ele então muda a tensão e mede a quantidade de corrente que flui em função dessa tensão e de qualquer ponto da amostra. Isso permite que ele mapeie diferentes níveis de energia em toda a amostra.

"Você quer um isolante o mais fino possível, "LeRoy acrescentou." A ideia inicial era escolher algo plano, mas isolante. Como o nitreto de boro tem essencialmente a mesma estrutura do grafeno, você pode descascá-lo em camadas da mesma maneira. Portanto, usamos um metal como base, coloque uma camada fina de nitreto de boro sobre ele e, em seguida, grafeno por cima. "