Cientistas encontram técnica para melhorar superredes de carbono para dispositivos eletrônicos quânticos
p Um diagrama atômico esquemático de um poço quântico feito de camadas de carbono amorfo. Os átomos azuis representam carbono amorfo com uma alta porcentagem de carbono semelhante ao diamante. Os átomos marrons representam carbono amorfo que é semelhante ao grafite. As regiões do tipo diamante têm um alto potencial (diamante é isolante), enquanto as regiões do tipo grafite são mais metálicas. Isso cria um poço quântico, pois os elétrons ficam confinados na região semelhante ao grafite devido ao potencial relativamente alto nas regiões semelhantes ao diamante. As superredes são compostas por uma série de poços quânticos. Crédito:Wits University
p Pesquisadores do Laboratório de Física de Transporte em Nanoescala da Escola de Física da Universidade de Witwatersrand descobriram uma técnica para melhorar as superredes de carbono para aplicações de dispositivos eletrônicos quânticos. Superredes são constituídas por camadas alternadas de semicondutores muito finos, apenas alguns nanômetros de espessura. Essas camadas são tão finas que a física desses dispositivos é governada pela mecânica quântica, onde os elétrons se comportam como ondas. Em uma mudança de paradigma dos dispositivos eletrônicos convencionais, explorar as propriedades quânticas de superredes traz a promessa de desenvolver novas tecnologias. p O grupo, chefiado pelo professor Somnath Bhattacharyya tem trabalhado nos últimos 10 anos no desenvolvimento de dispositivos nanoeletrônicos baseados em carbono.
p "O carbono é o futuro no campo da eletrônica e em breve estará desafiando muitos outros semicondutores, incluindo silício, "diz Bhattacharyya.
p A física das superredes de carbono é mais complexa do que a das superredes cristalinas (como o arsenieto de gálio), uma vez que o material é amorfo e os átomos de carbono tendem a formar cadeias e redes. O grupo Wits, em associação com pesquisadores da Universidade de Surrey, no Reino Unido, desenvolveu uma abordagem teórica detalhada para compreender os dados experimentais obtidos a partir de dispositivos de carbono. O artigo foi publicado em
Relatórios Científicos em 19 de outubro.
p "Este trabalho fornece uma compreensão das propriedades quânticas fundamentais das superredes de carbono, que agora podemos usar para projetar dispositivos quânticos para aplicações específicas, "diz o autor principal, Aluno de PhD do Wits, Ross McIntosh. "Nosso trabalho fornece um forte impulso para estudos futuros das propriedades eletrônicas e optoeletrônicas de alta frequência de superredes de carbono".
p Por meio do trabalho deles, o grupo relatou um dos primeiros modelos teóricos que podem explicar as propriedades fundamentais do transporte eletrônico em superredes desordenadas de carbono.
p Bhattacharyya começou a olhar para o uso de carbono para aplicações de semicondutores há quase 10 anos, antes de ingressar na Wits University, quando ele e co-autores da Universidade de Surrey desenvolveram e demonstraram resistência diferencial negativa e excelentes propriedades de alta frequência de um dispositivo quântico feito de camadas amorfas de carbono. Este trabalho foi publicado em
Materiais da Natureza em 2006.
p Um diagrama atômico esquemático de um poço quântico feito de camadas de carbono amorfo. Os átomos azuis representam carbono amorfo com uma alta porcentagem de carbono semelhante ao diamante. Os átomos marrons representam carbono amorfo que é semelhante ao grafite. As regiões do tipo diamante têm um alto potencial (diamante é isolante), enquanto as regiões do tipo grafite são mais metálicas. Isso cria um poço quântico, pois os elétrons estão confinados na região semelhante ao grafite devido ao potencial relativamente alto nas regiões semelhantes ao diamante. As cadeias marrons através das regiões semelhantes a diamante representam cadeias poliméricas, uma característica exclusiva das superredes de carbono. As superredes são compostas por uma série de poços quânticos. Os átomos verdes representam impurezas de nitrogênio. Crédito:Wits University
p McIntosh aproveitou a oportunidade em nível de honra para medir as propriedades elétricas de dispositivos de superrede de carbono. Agora, como estudante de doutorado e tendo trabalhado extensivamente com o teórico Dr. Mikhail V. Katkov, ele estendeu o arcabouço teórico e desenvolveu uma técnica para calcular as propriedades de transporte desses dispositivos.
p Bhattacharyya acredita que este trabalho terá imensa importância no desenvolvimento de dispositivos de alta frequência baseados em carbono.
p “Vai abrir não só estudos fundamentais em materiais de carbono, mas também terá aplicações industriais no setor de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, " ele diz.
p As superredes são atualmente utilizadas como osciladores e amplificadores de alta frequência de última geração e estão começando a encontrar uso na optoeletrônica como detectores e emissores no regime terahertz. Embora as propriedades elétricas e optoeletrônicas de alta frequência de semicondutores convencionais sejam limitadas pelos dopantes usados para modificar suas propriedades eletrônicas, as propriedades das superredes podem ser ajustadas em uma faixa muito mais ampla para criar dispositivos que operam em regimes onde os dispositivos convencionais não podem.
p Dispositivos eletrônicos Superlattice podem operar em frequências mais altas e dispositivos optoeletrônicos podem operar em frequências mais baixas do que seus equivalentes convencionais. A falta de emissores e detectores de terahertz resultou em uma lacuna naquela região do espectro eletromagnético (conhecida como "lacuna de terahertz"), que é uma limitação significativa, como muitas moléculas biológicas são ativas neste regime. Isso também limita a radioastronomia terahertz.
p Dispositivos de carbono amorfo são extremamente fortes, pode operar em altas tensões e pode ser desenvolvido na maioria dos laboratórios do mundo, sem instalações sofisticadas de nanofabricação. Novos dispositivos baseados em carbono podem encontrar aplicação na biologia, tecnologia espacial, infraestrutura científica, como o telescópio Square Kilometer Array (SKA) na África do Sul, e novos detectores de micro-ondas.
p "O que faltava anteriormente era uma compreensão da modelagem de dispositivos. Se tivermos um modelo, podemos melhorar a qualidade do dispositivo, e isso é o que temos agora, "diz Bhattacharyya.