Usar elétrons mais parecidos com fótons poderia fornecer a base para um novo tipo de dispositivo eletrônico que capitalizaria a capacidade do grafeno de transportar elétrons quase sem resistência, mesmo em temperatura ambiente - uma propriedade conhecida como transporte balístico.

Pesquisa relatada esta semana mostra que a resistência elétrica em nanofitas de grafeno epitaxial muda em etapas discretas seguindo os princípios da mecânica quântica. A pesquisa mostra que as nanofitas de grafeno agem mais como guias de ondas ópticas ou pontos quânticos, permitindo que os elétrons fluam suavemente ao longo das bordas do material. Em condutores comuns, como cobre, a resistência aumenta em proporção ao comprimento à medida que os elétrons encontram mais e mais impurezas enquanto se movem através do condutor.

As propriedades de transporte balístico, semelhantes aos observados em nanotubos de carbono cilíndricos, exceder as previsões teóricas de condutância para o grafeno por um fator de 10. As propriedades foram medidas em nanofitas de grafeno de aproximadamente 40 nanômetros de largura que haviam crescido nas bordas de estruturas tridimensionais gravadas em bolachas de carboneto de silício.

"Este trabalho mostra que podemos controlar os elétrons do grafeno de maneiras muito diferentes porque as propriedades são realmente excepcionais, "disse Walt de Heer, professor regente da Escola de Física do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "Isso poderia resultar em uma nova classe de dispositivos eletrônicos coerentes baseados no transporte balístico à temperatura ambiente em grafeno. Esses dispositivos seriam muito diferentes do que fabricamos hoje em silício."

A pesquisa, que foi apoiado pela National Science Foundation, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea e o W.M. Fundação Keck, foi relatado em 5 de fevereiro no jornal Natureza . A pesquisa foi feita por meio de uma colaboração de cientistas da Georgia Tech, nos Estados Unidos, Leibniz Universität Hannover na Alemanha, o Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) na França e o Oak Ridge National Laboratory nos Estados Unidos.

Por quase uma década, os pesquisadores têm tentado usar as propriedades únicas do grafeno para criar dispositivos eletrônicos que operam de maneira muito semelhante aos chips semicondutores de silício existentes. Mas esses esforços tiveram sucesso limitado porque o grafeno - uma rede de átomos de carbono que pode ser feita com apenas uma camada de espessura - não pode ser facilmente dado o bandgap eletrônico que tais dispositivos precisam para operar.

De Heer argumenta que os pesquisadores devem parar de tentar usar o grafeno como o silício, e, em vez disso, usar suas propriedades exclusivas de transporte de elétrons para projetar novos tipos de dispositivos eletrônicos que podem permitir a computação ultrarrápida - com base em uma nova abordagem de comutação. Os elétrons nas nanofitas de grafeno podem mover dezenas ou centenas de mícrons sem espalhar.

“Essa resistência constante está relacionada a uma das constantes fundamentais da física, o quantum de condutância, "De Heer disse." A resistência deste canal não depende da temperatura, e não depende da quantidade de corrente que você está aplicando. "

O que interrompe o fluxo de elétrons, Contudo, está medindo a resistência com uma sonda elétrica. As medições mostraram que tocar as nanofitas com uma única sonda dobra a resistência; tocá-lo com duas sondas triplica a resistência.

"Os elétrons atingem a sonda e se espalham, "explicou de Heer." É muito parecido com um riacho em que a água está fluindo bem até que você coloque pedras no caminho. Fizemos estudos sistemáticos para mostrar que quando você toca as nanofitas com uma sonda, você introduz um método para os elétrons se espalharem, e isso muda a resistência. "

As nanofitas são cultivadas epitaxialmente em placas de silício e carbono, nas quais os padrões foram gravados usando técnicas de fabricação de microeletrônica padrão. Quando as bolachas são aquecidas a aproximadamente 1, 000 graus Celsius, o silício é preferencialmente removido ao longo das bordas, formando nanofitas de grafeno cuja estrutura é determinada pelo padrão da superfície tridimensional. Uma vez crescido, as nanofitas não requerem processamento adicional.

A vantagem de fabricar nanofitas de grafeno dessa forma é que ela produz bordas perfeitamente lisas, recozido pelo processo de fabricação. As bordas lisas permitem que os elétrons fluam através das nanofitas sem interrupção. Se as técnicas tradicionais de gravação são usadas para cortar nanofitas de folhas de grafeno, as bordas resultantes são muito ásperas para permitir o transporte balístico.

"Parece que a corrente está fluindo principalmente nas bordas, ", disse de Heer." Existem outros elétrons na maior parte das nanofitas, mas eles não interagem com os elétrons que fluem nas bordas. "

Os elétrons na borda fluem mais como fótons em fibra óptica, ajudando-os a evitar a dispersão. "Esses elétrons estão realmente se comportando mais como luz, "disse ele." É como a luz passando por uma fibra óptica. Por causa da forma como a fibra é feita, a luz transmite sem espalhar. "

As medições de mobilidade de elétrons que ultrapassam um milhão correspondem a uma resistência de folha de um ohm por quadrado que é duas ordens de magnitude menor do que o que é observado no grafeno bidimensional - e dez vezes menor do que as melhores previsões teóricas para o grafeno.

"Isso deve permitir uma nova maneira de fazer eletrônicos, "De Heer disse." Já somos capazes de direcionar esses elétrons e podemos trocá-los usando meios rudimentares. Podemos colocar um obstáculo, e, em seguida, abra-o novamente. Novos tipos de interruptores para este material estão agora no horizonte. "

As explicações teóricas para o que os pesquisadores mediram estão incompletas. De Heer especula que as nanofitas de grafeno podem estar produzindo um novo tipo de transporte eletrônico semelhante ao que é observado em supercondutores.

"Há muita física fundamental que precisa ser feita para entender o que estamos vendo, "Ele acrescentou." Acreditamos que isso mostra que há uma possibilidade real para um novo tipo de eletrônica à base de grafeno. "

Pesquisadores da Georgia Tech são os pioneiros na eletrônica baseada em grafeno desde 2001, para o qual eles detêm uma patente, arquivado em 2003. A técnica envolve padrões de gravação em bolachas de carboneto de silício de grau eletrônico, em seguida, aquecer as bolachas para eliminar o silício, deixando padrões de grafeno.