p Grafeno, uma rede de átomos de carbono com a espessura de um átomo, é frequentemente apresentado como um material revolucionário que tomará o lugar do silício no coração da eletrônica. A velocidade incomparável na qual ele pode mover elétrons, além de seu fator de forma essencialmente bidimensional, torná-lo uma alternativa atraente, mas vários obstáculos para sua adoção permanecem. p Uma equipe de pesquisadores da Universidade da Pensilvânia; Universidade da Califórnia, Berkeley; e a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign fez incursões na solução de um desses obstáculos. Ao demonstrar uma nova maneira de alterar a quantidade de elétrons que residem em uma determinada região dentro de um pedaço de grafeno, eles têm uma prova de princípio ao fazer os blocos de construção fundamentais de dispositivos semicondutores usando o material 2-D.

p Além disso, seu método permite que este valor seja ajustado por meio da aplicação de um campo elétrico, o que significa que os elementos do circuito de grafeno feitos dessa maneira poderiam um dia ser dinamicamente "reconectados" sem alterar fisicamente o dispositivo.

p O estudo foi uma colaboração entre os grupos de Andrew Rappe na Penn, Lane Martin em UC Berkeley e Moonsub Shim em Illinois.

p Foi publicado na revista Nature Communications .

p O silício é usado para fazer elementos de circuito porque sua densidade de portador de carga, o número de elétrons livres que contém, pode ser facilmente aumentado ou diminuído pela adição de impurezas químicas. Este processo de "dopagem" resulta em semicondutores "tipo p" e "tipo n", silício que tem portadores de carga mais positivos ou mais negativos.

p As junções entre os semicondutores do tipo p e n são os blocos de construção dos dispositivos eletrônicos. Juntos em sequência, essas junções p-n formam transistores, que, por sua vez, podem ser combinados em circuitos integrados, microchips e processadores.

p O grafeno quimicamente dopado para alcançar a versão do tipo p e n do material é possível, mas significa sacrificar algumas de suas propriedades elétricas únicas. Um efeito semelhante é possível aplicando mudanças locais de voltagem ao material, mas a fabricação e colocação dos eletrodos necessários nega as vantagens que o fator de forma do grafeno oferece.

p "Nós criamos uma solução não destrutiva, forma reversível de doping, "Rappe disse, "isso não envolve nenhuma mudança física no grafeno."

p A técnica da equipe envolve depositar uma camada de grafeno para que repouse, mas não se vincula a, um segundo material:niobato de lítio. O niobato de lítio é ferroelétrico, o que significa que é polar, e suas superfícies têm carga positiva ou negativa. Aplicar um pulso de campo elétrico pode mudar o sinal das cargas superficiais.

p "Essa é uma situação instável, "Rappe disse, "na medida em que a superfície carregada positivamente vai querer acumular cargas negativas e vice-versa. Para resolver esse desequilíbrio, você poderia ter outros íons entrando e se ligando ou fazendo com que o óxido perdesse ou ganhasse elétrons para cancelar essas cargas, mas descobrimos uma terceira maneira.

p "Aqui temos grafeno de prontidão, na superfície do óxido, mas não se ligando a ele. Agora, se a superfície de óxido disser, 'Eu gostaria de ter mais carga negativa, 'em vez do óxido coletando íons do meio ambiente ou ganhando elétrons, o grafeno diz 'eu posso segurar os elétrons para você, e eles estarão bem próximos. '"

p Rappe sugeriu o uso de niobato de lítio, como já é comumente usado em engenharia óptica e tem propriedades que se prestariam à criação de junções p-n. Os pesquisadores aproveitaram o fato de que certo tipo de material, niobato de lítio periodicamente polido, é fabricado de forma que tenha "listras" de regiões polares que alternam entre positivas e negativas.

p "Como os domínios de niobato de lítio podem ditar as propriedades, "Shim disse, "diferentes regiões do grafeno podem assumir diferentes características, dependendo da natureza do domínio subjacente. Isso permite, como demonstramos, um meio simples de criar uma junção p-n ou mesmo uma matriz de junções p-n em um único floco de grafeno. Essa capacidade deve facilitar os avanços no grafeno que podem ser análogos ao que as junções p-n e os circuitos complementares fizeram pela eletrônica de semicondutores de última geração.

p "O que é ainda mais emocionante é a ativação da optoeletrônica usando grafeno e a possibilidade de guia de ondas, lente e manipulação periódica de elétrons confinados em um material atomicamente fino. "

p Seus experimentos também envolveram adicionar um único portão ao dispositivo, o que permitiu que sua densidade geral de portadora fosse ainda mais ajustada pela aplicação de diferentes tensões.

p Ao levar em consideração como o óxido equilibra suas cargas superficiais por conta própria, ou ligando íons da solução aquosa, os pesquisadores conseguiram mostrar a relação entre a polarização do óxido e a densidade do portador de carga do grafeno suspenso sobre ele.

p E porque a polarização do óxido pode ser facilmente alterada, o tipo e a extensão do doping com grafeno suportado podem ser alterados junto com ele.

p "Você poderia vir junto com uma ponta que produz um certo campo elétrico, e apenas colocando-o perto do óxido você pode mudar sua polaridade, "Martin disse." Você escreve um domínio 'up' ou um domínio 'down' na região que deseja, e a densidade de carga do grafeno refletiria essa mudança. Você poderia fazer o grafeno sobre aquela região tipo p ou tipo n, e, Se você mudar de ideia, você pode apagá-lo e começar de novo. "

p Essa capacidade representaria uma vantagem sobre os semicondutores dopados quimicamente. Uma vez que as impurezas atômicas são misturadas ao material para alterar sua densidade de transportador, eles não podem ser removidos. Pesquisas futuras investigarão a viabilidade de projetar dispositivos semicondutores dinâmicos com esta técnica.

p "Não podemos fazer isso no momento, mas essa é a direção que queremos tomar, "Rappe disse, "Existem alguns óxidos que podem ser repolarizados na escala de tempo de nanossegundos, para que você possa fazer algumas mudanças realmente dinâmicas, se necessário. Isso abre muitas possibilidades. "