Transistores baseados em carbono em vez de silício podem potencialmente aumentar a velocidade dos computadores e reduzir seu consumo de energia em mais de mil vezes - pense em um telefone móvel que mantém sua carga por meses - mas o conjunto de ferramentas necessárias para construir circuitos de carbono em funcionamento permaneceu incompleto até agora.

Uma equipe de químicos e físicos da Universidade da Califórnia, Berkeley, finalmente criou a última ferramenta na caixa de ferramentas, um fio metálico feito inteiramente de carbono, preparando o terreno para um aumento na pesquisa para construir transistores baseados em carbono e, em última análise, computadores.

"Permanecendo dentro do mesmo material, dentro do reino dos materiais à base de carbono, é o que une essa tecnologia agora, "disse Felix Fischer, Professor de química da UC Berkeley, observando que a capacidade de fazer todos os elementos do circuito com o mesmo material torna a fabricação mais fácil. “Essa tem sido uma das coisas-chave que faltam no quadro geral de uma arquitetura de circuito integrado totalmente baseada em carbono”.

Fios de metal - como os canais metálicos usados ​​para conectar transistores em um chip de computador - transportam eletricidade de um dispositivo para outro e interconectam os elementos semicondutores dentro dos transistores, os blocos de construção dos computadores.

O grupo UC Berkeley tem trabalhado por vários anos em como fazer semicondutores e isoladores de nanofitas de grafeno, que são estreitas, tiras unidimensionais de grafeno com a espessura de um átomo, uma estrutura composta inteiramente de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal interconectado semelhante a tela de arame.

O novo metal à base de carbono também é uma nanofita de grafeno, mas projetado com o objetivo de conduzir elétrons entre nanofitas semicondutoras em transistores totalmente de carbono. As nanofitas metálicas foram construídas com a montagem de blocos de construção idênticos menores:uma abordagem de baixo para cima, disse o colega de Fischer, Michael Crommie, um professor de física da UC Berkeley. Cada bloco de construção contribui com um elétron que pode fluir livremente ao longo da nanofita.

Enquanto outros materiais à base de carbono - como folhas 2-D estendidas de grafeno e nanotubos de carbono - podem ser metálicos, eles têm seus problemas. Remodelando uma folha 2-D de grafeno em tiras de escala nanométrica, por exemplo, transforma-os espontaneamente em semicondutores, ou mesmo isoladores. Nanotubos de carbono, que são excelentes condutores, não pode ser preparado com a mesma precisão e reprodutibilidade em grandes quantidades que as nanofitas.

"As nanofitas nos permitem acessar quimicamente uma ampla gama de estruturas usando a fabricação de baixo para cima, algo que ainda não é possível com nanotubos, "Crommie disse." Isso nos permitiu basicamente juntar elétrons para criar um nanofibra metálico, algo não feito antes. Este é um dos grandes desafios na área de tecnologia de nanofibra de grafeno e por que estamos tão entusiasmados com isso. "

Nanofitas de grafeno metálico - que apresentam uma ampla, banda eletrônica parcialmente preenchida característica de metais - deve ser comparável em condutância ao próprio grafeno 2-D.

"Achamos que os fios metálicos são realmente uma inovação; é a primeira vez que podemos criar intencionalmente um condutor metálico ultra estreito - um bom, condutor intrínseco - de materiais à base de carbono, sem a necessidade de doping externo, "Fischer acrescentou.

Crommie, Fischer e seus colegas da UC Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) publicarão suas descobertas na edição de 25 de setembro do jornal Ciência .

Ajustando a topologia

Circuitos integrados baseados em silício alimentam computadores há décadas, com velocidade e desempenho cada vez maiores, pela Lei de Moore, mas eles estão atingindo seu limite de velocidade, isto é, com que rapidez eles podem alternar entre zeros e uns. Também está se tornando mais difícil reduzir o consumo de energia; os computadores já usam uma fração substancial da produção mundial de energia. Os computadores baseados em carbono podem mudar muitas vezes mais rápido do que os computadores de silício e usar apenas frações da energia, Fischer disse.

Grafeno, que é carbono puro, é um candidato importante para a próxima geração, computadores baseados em carbono. As tiras estreitas de grafeno são principalmente semicondutores, Contudo, e o desafio tem sido fazê-los funcionar também como isolantes e metais - extremos opostos, totalmente não condutor e totalmente condutor, respectivamente - de modo a construir transistores e processadores inteiramente de carbono.

Vários anos atrás, Fischer e Crommie se uniram ao cientista de materiais teóricos Steven Louie, um professor de física da UC Berkeley, para descobrir novas maneiras de conectar pequenos comprimentos de nanofibra para criar de forma confiável toda a gama de propriedades condutoras.

Dois anos atrás, a equipe demonstrou que, conectando segmentos curtos de nanofibra da maneira certa, elétrons em cada segmento poderiam ser organizados para criar um novo estado topológico - uma função de onda quântica especial - levando a propriedades semicondutoras sintonizáveis.

No novo trabalho, eles usam uma técnica semelhante para costurar segmentos curtos de nanofitas para criar um fio de metal condutor com dezenas de nanômetros de comprimento e quase um nanômetro de largura.

As nanofitas foram criadas quimicamente e fotografadas em superfícies muito planas usando um microscópio de tunelamento de varredura. O calor simples foi usado para induzir as moléculas a reagir quimicamente e se unir da maneira certa. Fischer compara a montagem de blocos de construção encadeados em margarida a um conjunto de Legos, mas Legos projetados para caber na escala atômica.

"Eles são todos projetados com precisão para que haja apenas uma maneira de se encaixarem. É como se você pegasse um saco de Legos, e você agita, e sai um carro totalmente montado, "ele disse." Essa é a magia de controlar a automontagem com química. "

Uma vez montado, o estado eletrônico da nova nanofita era um metal - exatamente como Louie previu - com cada segmento contribuindo com um único elétron condutor.

A descoberta final pode ser atribuída a uma mudança minuciosa na estrutura da nanofita.

"Usando química, criamos uma pequena mudança, uma mudança em apenas uma ligação química por cerca de cada 100 átomos, mas que aumentou a metalicidade da nanofita em um fator de 20, e isso é importante, de um ponto de vista prático, para fazer deste um bom metal, "Disse Crommie.

Os dois pesquisadores estão trabalhando com engenheiros elétricos na UC Berkeley para montar sua caixa de ferramentas de semicondutores, nanofitas isolantes e metálicas de grafeno em transistores funcionais.

"Acredito que esta tecnologia irá revolucionar a forma como construímos circuitos integrados no futuro, "Fischer disse." Deve nos dar um grande passo em relação ao melhor desempenho que pode ser esperado do silício agora. Agora temos um caminho para acessar velocidades de comutação mais rápidas com consumo de energia muito menor. Isso é o que está impulsionando o avanço em direção a uma indústria de semicondutores eletrônicos à base de carbono no futuro. "