p (Phys.org) - O grafeno é o material maravilhoso que poderia resolver o problema de fazer computadores cada vez mais rápidos e dispositivos móveis menores quando a tecnologia atual de microchip de silício atinge uma parede inevitável. Grafeno, uma única camada de átomos de carbono em um arranjo hexagonal compacto, foi altamente pesquisado por causa de suas incríveis propriedades eletrônicas, com velocidades teóricas 100 vezes maiores do que o silício. Mas colocar o material em um microchip que pudesse superar a tecnologia atual de silício se mostrou difícil. p A resposta pode estar em novos sistemas em nanoescala baseados em camadas ultrafinas de materiais com propriedades exóticas. Chamados de materiais em camadas bidimensionais, esses sistemas podem ser importantes para a microeletrônica, vários tipos de sensores hipersensíveis, catálise, engenharia de tecidos e armazenamento de energia. Pesquisadores da Penn State aplicaram um desses materiais em camadas 2D, uma combinação de grafeno e nitreto de boro hexagonal, para produzir melhor desempenho do transistor em uma escala industrialmente relevante.

p “Outros grupos mostraram que o grafeno no nitreto de boro pode melhorar o desempenho de duas a três vezes, mas não de uma forma que pudesse ser ampliada. Pela primeira vez, temos sido capazes de pegar este material e aplicá-lo para fazer transistores em escala de wafer, ”Disse Joshua Robinson, professor assistente de ciência e engenharia de materiais na Penn State e o autor correspondente em um artigo relatando seu trabalho na versão online da revista ACS Nano .

p No artigo, a equipe da Penn State descreve um método para integrar uma fina camada de grafeno com apenas um ou dois átomos de espessura, com uma segunda camada de nitreto de boro hexagonal (hBN) com uma espessura de alguns átomos até várias centenas de átomos. O material de bicamada resultante constitui a próxima etapa na criação de transistores de efeito de campo de grafeno funcional para dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos de alta frequência.

p Pesquisas anteriores de outros grupos mostraram que um material comum chamado nitreto de boro hexagonal (hBN), uma mistura sintética de boro e nitrogênio que é usada como lubrificante industrial e é encontrada em muitos cosméticos, é um substituto potencial para o dióxido de silício e outros dielétricos de alto desempenho que não se integraram bem ao grafeno. Como o boro fica ao lado do carbono na tabela periódica, e o nitreto de boro hexagonal tem um arranjo de átomos semelhante ao grafeno, os dois materiais combinam bem eletronicamente. Na verdade, O hBN é frequentemente referido como grafeno branco. Para ter mais do que interesse acadêmico no laboratório, Contudo, a bicamada hBN-grafeno teve que ser cultivada em escala de wafer - de cerca de 3 polegadas (75 mm) a quase 12 polegadas (300 mm).

p A equipe da Penn State resolveu esse problema usando uma técnica anterior desenvolvida em seu laboratório para produzir um uniforme, grande área, e camada de grafeno epitaxial de alta qualidade adequada para aplicações de alta frequência. Este "grafeno epitaxial quase autônomo" foi produzido anexando átomos de hidrogênio ao grafeno, a fim de "passivar ligações pendentes, ”Essencialmente achatando e alisando o filme de grafeno. O nitreto de boro hexagonal foi então cultivado em um substrato de metal de transição usando uma técnica de deposição química de vapor que é padrão na fabricação. O hBN foi liberado do substrato por meio de um dos vários processos de transferência e colocado em camadas sobre o grafeno em um wafer de 75 mm, marcando a primeira integração de grafeno epitaxial com hBN em uma escala compatível com as necessidades da indústria.

p Com base em seu trabalho anterior com grafeno epitaxial, que já havia aumentado o desempenho do transistor de duas a três vezes, esta pesquisa adiciona uma melhoria adicional de duas a três vezes no desempenho e mostra o forte potencial para a utilização de grafeno na eletrônica, de acordo com Robinson. No futuro próximo, a equipe da Penn State espera demonstrar circuitos integrados baseados em grafeno e dispositivos de alto desempenho adequados para fabricação em escala industrial em wafers de 100 mm.

p “Usamos toda litografia padrão, o que é importante para a nanofabricação, ”Robinson acrescentou. A fim de reduzir a competitividade da indústria de microchip, um novo sistema de materiais precisa ser compatível com a tecnologia de processamento atual, além de oferecer um aumento significativo de desempenho.

p O nitreto de boro-grafeno é um dos vários sistemas em camadas bidimensionais em ascensão, cujas propriedades em nanoescala estão apenas começando a ser descobertas. Dimensionalidade, de acordo com os ganhadores do Prêmio Nobel Novoselov e Geim, é um dos parâmetros de material mais definidores e pode dar origem a propriedades dramaticamente diferentes de acordo com se a estrutura do material é 0-D, 1-D, 2-D ou 3-D. Penn State está entre os pioneiros que estão entrando no que pode vir a ser uma nova fronteira da ciência dos materiais.

p Além de Robinson, os co-autores do artigo ACS Nano são Michael Bresnehan, Matthew Hollander, Maxwell Wetherington, Michael LaBella, Kathleen Trumbull, Randal Cavalero, e David Snyder, tudo em Penn State. O trabalho foi apoiado pelo Naval Surface Warfare Center Crane, e o suporte de instrumentação foi fornecido pela National Nanotechnology Infrastructure Network em Penn State.