Desde sua descoberta em 2004, o grafeno tem recebido atenção devido às suas propriedades extraordinárias, entre elas sua mobilidade de portadora extremamente alta. No entanto, a alta mobilidade da portadora só foi observada usando técnicas que exigem métodos de fabricação complexos e caros. Agora, pesquisadores da Chalmers relatam uma mobilidade surpreendentemente alta do grafeno usando métodos muito mais baratos e simples.
“Esta descoberta mostra que o grafeno transferido para substratos baratos e flexíveis ainda pode ter uma mobilidade intransigentemente alta e abre caminho para uma nova era da nanoeletrônica de grafeno”, diz Munis Khan, pesquisador da Chalmers University of Technology.

O grafeno é a camada de átomos de carbono de um átomo de espessura, conhecido como o material mais fino do mundo. O material tornou-se uma escolha popular na indústria de semicondutores, automotiva e optoeletrônica devido às suas excelentes propriedades elétricas, químicas e materiais. Uma dessas propriedades é sua mobilidade de portadora extremamente alta.

"Na física do estado sólido, a mobilidade do portador de elétrons caracteriza a rapidez com que um elétron pode se mover através de um metal ou semicondutor quando puxado por um campo elétrico. A alta mobilidade eletrônica do grafeno aponta para um grande potencial para comunicações de banda larga e eletrônica de alta velocidade operando em Além disso, as outras propriedades do material, como alta estabilidade química, excelente transparência e sensibilidade elétrica para bioquímicos, o tornam um material promissor para monitores, dispositivos de coleta de luz e biossensores", diz Munis Khan.

No entanto, a mobilidade extremamente alta do portador no grafeno é observada no grafeno esfoliado mecanicamente, um processo que carece de escalabilidade industrial, ou em dispositivos de grafeno fabricados em nitreto de boro hexagonal. Essas altas mobilidades também foram observadas pela transferência de grafeno cultivado por um processo chamado deposição química de vapor (CVD) para heteroestruturas de óxido complexo. Todas essas técnicas exigem métodos de fabricação complexos e caros, o que não apenas o torna mais caro, mas também dificulta a produção em massa desses dispositivos.

Grafeno mais barato com alta mobilidade de portador

Agora, Munis Khan e seus colegas relatam uma mobilidade surpreendentemente alta de portadores de carga de grafeno CVD cultivado em folha de cobre não polida e transferido para folha de laminação EVA/PET usando um laminador de escritório comum e gravação úmida de cobre. A mobilidade aumentou até oito vezes depois de simplesmente segurar o sanduíche de grafeno em plástico a 60 C por algumas horas.

"Esta descoberta mostra que mesmo dispositivos de grafeno baratos e flexíveis ainda podem ter uma mobilidade intransigente alta", diz Munis Khan. "Nosso artigo propõe um método direto para fabricar dispositivos de grafeno baratos em substratos flexíveis com alta mobilidade de portadora, provavelmente limitada apenas pelo processo CVD e pureza do cobre."

O grafeno CVD transferido para EVA/PET está sendo intensamente explorado e estudado para eletrônica flexível e esticável, especialmente em sistemas de conformação de forma, como dispositivos portáteis de coleta de energia, pele eletrônica e dispositivos eletrônicos vestíveis, que precisam de alta flexibilidade e elasticidade. Os semicondutores convencionais não possuem as propriedades mecânicas superiores que o grafeno possui, o que os torna inadequados para tais aplicações – muitas vezes são necessários filmes flexíveis de grafeno altamente condutivos com alta mobilidade de portadores.

"Nossa observação realmente aumentará o escopo de tais filmes flexíveis de grafeno neste campo. Isso também pode inaugurar a nova era da eletrônica flexível. Aplicações que exigem filmes finos altamente condutivos agora podem ser realizadas por um método acessível e simples, conforme proposto em nosso artigo. De fato, em nosso grupo de pesquisa pretendemos usar esses filmes de grafeno para fazer biossensores extremamente sensíveis, detectores de terahertz e dispositivos de alta frequência, aplicações que também exigem alta mobilidade de portadoras. O desafio será integrar técnicas de microfabricação para fabricar dispositivos em substratos flexíveis. Se esses problemas forem resolvidos, provavelmente dentro de 2 a 3 anos, poderemos começar a utilizar esses filmes de grafeno para fabricar dispositivos para uso industrial", diz Munis Khan.

Sobre a descoberta

A deposição química de vapor (CVD) de grafeno em folhas comerciais de cobre (Cu) fornece uma rota escalável para grafeno de camada única de alta qualidade. O método CVD é baseado em reagentes gasosos que são depositados em um substrato. O grafeno é cultivado em uma superfície metálica como Cu, Pt ou Ir, após o que pode ser separado do metal e transferido para substratos especificamente necessários. O processo pode ser explicado simplesmente como gases portadores de carbono que reagem a altas temperaturas (900-1100  graus Celsius) na presença de um catalisador metálico, que serve tanto como catalisador para a decomposição das espécies de carbono quanto como superfície para o nucleação da rede de grafeno.

Os pesquisadores descobriram que o grafeno CVD, uma vez transferido do cobre para o EVA/PET (bolsa de laminação comum) por laminação por prensagem a quente, inicialmente mostrou baixa mobilidade do portador em uma faixa de 500 a 1.000 cm ² /(Vs). Mas, uma vez que esses filmes foram mantidos a 60 C por várias horas em um fluxo constante de nitrogênio, a mobilidade aumentou oito vezes e atingiu 6.000 a 8.000 cm ² /(V s) à temperatura ambiente.

A pesquisa foi publicada em Nanomateriais . + Explorar mais

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