Um novo método projeta nanomateriais com precisão inferior a 10 nanômetros. Pode abrir caminho para mais rapidez, eletrônicos mais eficientes em termos de energia.

Pesquisadores DTU e Graphene Flagship levaram a arte de padronizar nanomateriais para o próximo nível. A padronização precisa de materiais 2D é uma rota para computação e armazenamento usando materiais 2D, que pode oferecer melhor desempenho e consumo de energia muito menor do que a tecnologia atual.

Uma das descobertas recentes mais significativas dentro da física e da tecnologia de materiais são os materiais bidimensionais como o grafeno. O grafeno é mais forte, mais suave, mais leve, e melhor na condução de calor e eletricidade do que qualquer outro material conhecido.

Seu recurso mais exclusivo talvez seja a capacidade de programação. Ao criar padrões delicados nesses materiais, podemos mudar suas propriedades drasticamente e possivelmente fazer exatamente o que precisamos.

Na DTU, cientistas trabalharam para melhorar o estado da arte por mais de uma década na padronização de materiais 2D, usando sofisticadas máquinas de litografia em 1500 m ² instalação de sala limpa. Seu trabalho é baseado no Centro de Grafeno Nanoestruturado da DTU, apoiado pela Fundação Nacional de Pesquisa Dinamarquesa e uma parte do The Graphene Flagship.

O sistema de litografia por feixe de elétrons no DTU Nanolab pode registrar detalhes em até 10 nanômetros. Os cálculos do computador podem prever exatamente a forma e o tamanho dos padrões no grafeno para criar novos tipos de eletrônicos. Eles podem explorar a carga do elétron e propriedades quânticas, como graus de liberdade de spin ou vale, levando a cálculos de alta velocidade com muito menos consumo de energia. Esses cálculos, Contudo, pedem uma resolução mais alta do que até mesmo os melhores sistemas de litografia podem oferecer:resolução atômica.

"Se realmente quisermos abrir o baú do tesouro para a eletrônica quântica do futuro, precisamos ir abaixo de 10 nanômetros e nos aproximar da escala atômica, "diz o professor e líder de grupo da DTU Physics, Peter Bøggild.

E é exatamente isso que os pesquisadores conseguiram fazer.

"Mostramos em 2019 que orifícios circulares colocados com espaçamento de apenas 12 nanômetros transformam o grafeno semimetálico em um semicondutor. Agora sabemos como criar orifícios circulares e outras formas, como triângulos, com cantos pontiagudos nanométricos. Esses padrões podem classificar elétrons com base em seu spin e criar componentes essenciais para spintrônica ou valleytrônica. A técnica também funciona em outros materiais 2D. Com essas estruturas superpequenas, podemos criar metalenses muito compactos e eletricamente sintonizáveis ​​para serem usados ​​em comunicação de alta velocidade e biotecnologia, "explica Peter Bøggild.

Triângulo afiado como navalha

A pesquisa foi liderada pela pós-doutoranda Lene Gammelgaard, graduado em engenharia pela DTU em 2013, que desde então desempenhou um papel vital na exploração experimental de materiais 2D na DTU:

"O truque é colocar o nanomaterial hexagonal de nitreto de boro em cima do material que você deseja padronizar. Em seguida, você faz furos com uma determinada receita de gravação, "diz Lene Gammelgaard, e continua:

"O processo de corrosão que desenvolvemos nos últimos anos reduziu os padrões abaixo de nossos sistemas de litografia de feixe de elétrons, de outra forma inquebrável, limite de aproximadamente 10 nanômetros. Suponha que façamos um orifício circular com um diâmetro de 20 nanômetros; o orifício no grafeno pode então ser reduzido para 10 nanômetros. Se fizermos um orifício triangular, com os orifícios redondos provenientes do sistema de litografia, o downsizing fará um triângulo menor com cantos autoafiados. Usualmente, os padrões ficam mais imperfeitos quando você os torna menores. Este é o oposto, e isso nos permite recriar as estruturas que as previsões teóricas nos dizem que são ótimas. "

Um pode, por exemplo., produzir meta-lentes eletrônicas planas - um tipo de lente óptica supercompacta que pode ser controlada eletricamente em frequências muito altas, e que, de acordo com Lene Gammelgaard, podem se tornar componentes essenciais para a tecnologia de comunicação e a biotecnologia do futuro.

Forçando os limites

A outra pessoa importante é um jovem estudante, Dorte Danielsen. Ela se interessou por nanofísica após um estágio do 9º ano em 2012, ganhou uma vaga na final de um concurso nacional de ciências para alunos do ensino médio em 2014, e prosseguiu seus estudos em Física e Nanotecnologia sob o programa de honras da DTU para alunos de elite.

Ela explica que o mecanismo por trás das estruturas de "super-resolução" ainda não é bem compreendido:

"Temos várias explicações possíveis para esse comportamento inesperado de gravação, mas ainda há muito que não entendemos. Ainda, é uma técnica estimulante e altamente útil para nós. Ao mesmo tempo, é uma boa notícia para os milhares de pesquisadores em todo o mundo que estão empurrando os limites da nanoeletrônica e nanofotônica 2D. "

Apoiado pelo Independent Research Fund Denmark, dentro do projeto METATUNE, Dorte Danielsen continuará seu trabalho em nanoestruturas extremamente afiadas. Aqui, a tecnologia que ela ajudou a desenvolver, será usado para criar e explorar metalenses ópticos que podem ser ajustados eletricamente.