Um novo procedimento permitirá aos pesquisadores fabricar menores, mais rápido, e dispositivos em nanoescala mais poderosos - e o fazem com controle molecular e precisão. Usando uma única camada de átomos de carbono, ou grafeno, nanoengenheiros da Universidade da Califórnia, San Diego inventou uma nova maneira de fabricar nanoestruturas que contêm lacunas de tamanho atômico. Os resultados da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs foram publicados na edição de janeiro da revista Nano Letras .

Estruturas com estes bem definidos, lacunas de tamanho atômico podem ser usadas para detectar moléculas únicas associadas a certas doenças e podem, um dia, levar a microprocessadores 100 vezes menores do que os dos computadores atuais.

A capacidade de gerar lacunas extremamente pequenas - conhecidas como nanogaps - é altamente desejável na fabricação de estruturas em nanoescala, que são normalmente usados ​​como componentes em dispositivos ópticos e eletrônicos. Ao diminuir o espaçamento entre os circuitos eletrônicos em um microchip, por exemplo, pode-se encaixar mais circuitos no mesmo chip para produzir um dispositivo com maior poder de computação.

Uma equipe de Ph.D. estudantes e pesquisadores de graduação liderados pelo professor de nanoengenharia da UC San Diego Darren Lipomi demonstraram que a chave para gerar um nanogap menor entre duas nanoestruturas envolve o uso de um espaçador de grafeno, que pode ser gravado para criar a lacuna.

O grafeno é o material mais fino que se conhece:é simplesmente uma única camada de átomos de carbono e mede aproximadamente 0,3 nanômetros (nm), que é cerca de 100, 000 vezes mais fino que um cabelo humano. A técnica desenvolvida pela equipe de Lipomi supera algumas das limitações dos métodos de fabricação padrão, como fotolitografia e litografia de feixe de elétrons. Por comparação, os menores nanogaps que podem ser gerados usando os métodos padrão têm 10‒20 nm de largura.

"Fazer um nanogap é interessante do ponto de vista filosófico, "disse Lipomi." Embora a maioria dos esforços em nanotecnologia se concentre na fabricação de materiais, essencialmente não fizemos nada - mas com dimensões controladas. "

Fazendo "nada"

O método para fazer nanogaps começa com a produção de filmes finos em que uma única camada de grafeno é ensanduichada entre duas folhas de metal dourado. Primeiro, o grafeno é cultivado em um substrato de cobre, e, em seguida, coberto com uma folha de metal dourado. Porque o grafeno adere melhor ao ouro do que ao cobre, toda a camada única de grafeno pode ser facilmente removida e permanece intacta em grandes áreas. Em comparação com outras técnicas que são usadas para produzir estruturas em camadas semelhantes, este método permite que o grafeno seja transferido para um filme de ouro com o mínimo de defeitos ou contaminação.

"Este novo método, que desenvolvemos em nosso laboratório, é chamada de esfoliação assistida por metal. Esta é a única maneira pela qual podemos colocar o grafeno de camada única entre dois metais e garantir que ele não contenha rasgos, rachaduras, dobras, ou espécies químicas indesejadas, "disse Alex Zaretski, um estudante de pós-graduação no grupo de pesquisa de Lipomi que foi pioneiro na técnica e é o primeiro autor do estudo. "A esfoliação assistida por metal pode ser potencialmente útil para indústrias que usam grandes áreas de grafeno."

Uma vez que o composto de ouro / grafeno é separado do substrato de cobre, o lado recém-exposto da camada de grafeno é imprensado com outra folha de ouro para produzir o ouro:grafeno de camada única:película fina de ouro.

Os filmes são então cortados em nanoestruturas de 150 nm de largura. Finalmente, as estruturas são tratadas com plasma de oxigênio para remover o grafeno. Micrografias eletrônicas de varredura das estruturas revelam nanogaps extremamente pequenos entre as camadas de ouro.

Aplicativos Nanogap

Uma aplicação potencial para esta tecnologia é na detecção ultrassensível de moléculas individuais, particularmente aqueles que são característicos de certas doenças. Quando a luz incide sobre estruturas com lacunas extremamente pequenas, o campo eletromagnético que está confinado dentro da lacuna torna-se enormemente aumentado. Este campo eletromagnético aprimorado, por sua vez, aumenta o sinal produzido por qualquer molécula dentro da lacuna.

"Se algum marcador de doença vier e preencher a lacuna entre as nanoestruturas, você observaria uma mudança no espalhamento de luz do nanogap que corresponderia à presença ou não da doença, "disse Lipomi.

Embora a técnica relatada neste estudo possa produzir nanoestruturas adequadas para aplicações ópticas, ele apresenta uma grande desvantagem para aplicações eletrônicas. Medições espectroscópicas Raman das nanoestruturas de ouro revelam que pequenas quantidades de grafeno ainda permanecem entre as camadas de ouro após serem tratadas com plasma de oxigênio. Isso significa que apenas o grafeno exposto próximo às superfícies das nanoestruturas de ouro pode ser removido até agora. Ter grafeno ainda nas estruturas não é desejável para dispositivos eletrônicos, que requerem um vão inteiro entre as estruturas. A equipe está trabalhando para descobrir como resolver esse problema.

No futuro, a equipe também gostaria de explorar maneiras de variar a espessura da lacuna bem definida entre as estruturas, aumentando o número de camadas de grafeno.

"Para aplicações ópticas, seria desejável ter lacunas um pouco maiores do que as que geramos. Só queríamos mostrar, em princípio, o menor tamanho de lacuna possível de alcançar, "disse Lipomi.