p Os pesquisadores da Columbia Engineering demonstraram experimentalmente pela primeira vez que é possível contatar eletricamente um material bidimensional (2D) atomicamente fino apenas ao longo de sua borda unidimensional (1D), ao invés de contatá-lo de cima, que tem sido a abordagem convencional. Com esta nova arquitetura de contato, eles desenvolveram uma nova técnica de montagem para materiais em camadas que evita a contaminação nas interfaces, e, usando grafeno como o material do modelo 2D, mostram que esses dois métodos em combinação resultam no grafeno mais limpo já realizado. O estudo é publicado em Ciência em 1 de novembro, 2013 p "Este é um novo paradigma empolgante em engenharia de materiais onde, em vez da abordagem convencional de crescimento de camada por camada, materiais híbridos agora podem ser fabricados por montagem mecânica de cristais 2D constituintes, "diz o professor de engenharia elétrica Ken Shepard, co-autor do artigo. "Nenhum outro grupo foi capaz de alcançar com sucesso uma geometria de contato de aresta pura para materiais 2D como o grafeno."

p Ele acrescenta que esforços anteriores examinaram como melhorar os 'contatos superiores' por meio de engenharia adicional, como a adição de dopantes:"Nossa nova geometria de contato de borda fornece um contato mais eficiente do que a geometria convencional, sem a necessidade de processamento complexo adicional. Agora existem muitos mais possibilidades na busca de aplicativos de dispositivos e explorações de física fundamental. "

p Isolado pela primeira vez em 2004, o grafeno é o material 2D mais bem estudado e tem sido o assunto de milhares de artigos que estudam seu comportamento elétrico e aplicações de dispositivos. "Mas em quase todo este trabalho, o desempenho do grafeno é degradado pela exposição à contaminação, "observa o professor de engenharia mecânica James Hone, que também é co-autor do estudo." Acontece que os problemas de contaminação e contato elétrico estão ligados. Qualquer material eletrônico de alto desempenho deve ser encapsulado em um isolador para protegê-lo do meio ambiente. O grafeno não tem a capacidade de fazer ligações fora do plano, o que torna o contato elétrico através de sua superfície difícil, mas também evita a ligação a isoladores 3D convencionais, como óxidos. Em vez de, os melhores resultados são obtidos usando um isolador 2D, que não precisa fazer ligações em sua superfície. Contudo, não houve maneira de acessar eletricamente uma folha de grafeno totalmente encapsulada até agora. "

p Nesse trabalho, diz Cory Dean, que liderou a pesquisa como pós-doutorado em Columbia e agora é professor assistente no The City College of New York, a equipe resolveu os problemas de contato e contaminação de uma vez. "Um dos maiores ativos de materiais 2D, como o grafeno, é que, com apenas um átomo de espessura, temos acesso direto às suas propriedades eletrônicas. Ao mesmo tempo, esta pode ser uma de suas piores características, pois torna o material extremamente sensível ao ambiente. Qualquer contaminação externa degrada rapidamente o desempenho. A necessidade de proteger o grafeno de doenças indesejadas, enquanto ainda permite o acesso elétrico, tem sido o obstáculo mais significativo na prevenção do desenvolvimento de tecnologias baseadas em grafeno. Ao fazer contato apenas com a borda 1D do grafeno, desenvolvemos uma maneira fundamentalmente nova de conectar nosso mundo 3D a este fascinante mundo 2D, sem perturbar suas propriedades inerentes. Isso praticamente elimina a contaminação externa e finalmente permite que o grafeno mostre seu verdadeiro potencial em dispositivos eletrônicos "

p Os pesquisadores encapsularam totalmente a camada de grafeno 2D em um sanduíche de finos cristais isolantes de nitreto de boro, empregando uma nova técnica em que as camadas de cristal são empilhadas uma a uma. "Nossa abordagem para montar essas heteroestruturas elimina completamente qualquer contaminação entre as camadas, "Dean explica, "que confirmamos seccionando os dispositivos e gerando imagens em um microscópio eletrônico de transmissão com resolução atômica."

p Depois de criarem a pilha, eles o gravaram para expor a borda da camada de grafeno, e então o metal evaporado na borda para criar o contato elétrico. Ao fazer contato ao longo da borda, a equipe percebeu uma interface 1D entre a camada ativa 2D e o eletrodo de metal 3D. E, mesmo que os elétrons entrem apenas na borda atômica 1D da folha de grafeno, a resistência de contato era notavelmente baixa, atingindo 100 Ohms por mícron de largura de contato - um valor menor do que o que pode ser alcançado para contatos na superfície superior de grafeno.

p Com as duas novas técnicas - a arquitetura de contato por meio da borda 1D e o método de montagem por empilhamento que evita a contaminação nas interfaces - a equipe foi capaz de produzir o que eles dizem ser "o grafeno mais limpo já realizado". Em temperatura ambiente, esses dispositivos exibem desempenho anteriormente inatingível, incluindo mobilidade de elétrons pelo menos duas vezes maior do que qualquer sistema de elétrons 2D convencional, e resistividade da folha inferior a 40 Ohms quando cargas suficientes são adicionadas à folha por "passagem" eletrostática. Surpreendentemente, esta resistência de folha 2D corresponde a uma resistividade 3D "em massa" menor do que a de qualquer metal à temperatura ambiente. Em baixa temperatura, elétrons viajam através das amostras da equipe sem espalhar, um fenômeno conhecido como transporte balístico. Transporte balístico, tinha sido observado anteriormente em amostras próximas a um micrômetro de tamanho, mas este trabalho demonstra o mesmo comportamento em amostras de até 20 micrômetros. "Até agora, isso é limitado puramente pelo tamanho do dispositivo, "diz Dean, "indicando que o verdadeiro comportamento 'intrínseco' é ainda melhor."

p A equipe está agora trabalhando na aplicação dessas técnicas para desenvolver novos materiais híbridos por montagem mecânica e contato de borda de materiais híbridos, desenhando a partir do conjunto completo de materiais em camadas 2D disponíveis, incluindo grafeno, nitreto de boro, diclcogenetos de metais de transição (TMDCs), óxidos de metais de transição (TMOs), e isoladores topológicos (TIs). "We are taking advantage of the unprecedented performance we now routinely achieve in graphene-based devices to explore effects and applications related to ballistic electron transport over fantastically large length scales, " Dean adds. "With so much current research focused on developing new devices by integrating layered 2D systems, potential applications are incredible, from vertically structured transistors, tunneling based devices and sensors, photoactive hybrid materials, to flexible and transparent electronics."

p "This work results from a wide collaboration of researchers interested in both pure and applied science, " says Hone. "The unique environment at Columbia provides an unparalleled opportunity for these two communities to interact and build off one another."

p The Columbia team demonstrated the first technique to mechanically layer 2D materials in 2010. These two new techniques, which are critical advancements in the field, are the result of interdisciplinary efforts by Lei Wang (PhD student, Electrical Engineering, Hone group) and Inanc Meric (Postdoc, Electrical Engineering, Shepard group), co-lead authors on this project who worked with the groups of Philip Kim (Physics and Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia), James Hone (Mechanical Engineering, Columbia), Ken Shepard (Electrical Engineering, Columbia) and Cory Dean (Physics, City College of New York).