Pesquisadores desenvolvem novas maneiras de projetar semicondutores baseados em carbono para a eletrônica do futuro

Ao envolver um nanotubo de carbono com um polímero semelhante a uma fita, os pesquisadores da Duke foram capazes de criar nanotubos que conduzem eletricidade quando atingidos por luz de baixa energia que nossos olhos não podem ver. No futuro, a abordagem poderá tornar possível otimizar semicondutores para aplicações que vão desde a visão noturna até novas formas de computação. Crédito:Francesco Mastrocinque

Pode parecer um rolo de tela de arame, mas esse minúsculo cilindro de átomos de carbono – pequeno demais para ser visto a olho nu – poderá um dia ser usado para fabricar dispositivos eletrônicos que vão desde óculos de visão noturna e detectores de movimento até células solares mais eficientes. graças a técnicas desenvolvidas por pesquisadores da Duke University.

Seu trabalho foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

Descobertos pela primeira vez no início da década de 1990, os nanotubos de carbono são feitos de folhas únicas de átomos de carbono enroladas como um canudo.

O carbono não é exatamente um material moderno. Toda a vida na Terra é baseada no carbono. É a mesma coisa encontrada em diamantes, carvão e grafite de lápis. O que torna os nanotubos de carbono especiais são as suas propriedades notáveis. Esses minúsculos cilindros são mais fortes que o aço e, ainda assim, tão finos que 50 mil deles equivaleriam à espessura de um fio de cabelo humano.

Eles também são surpreendentemente bons na condução de eletricidade e calor, e é por isso que, na busca por eletrônicos mais rápidos, menores e mais eficientes, os nanotubos de carbono têm sido apontados há muito tempo como potenciais substitutos do silício.

Mas produzir nanotubos com propriedades específicas é um desafio.

Dependendo de como são enrolados, alguns nanotubos são considerados metálicos – o que significa que os elétrons podem fluir através deles com qualquer energia. O problema é que eles não podem ser desligados. Isto limita seu uso em eletrônica digital, que utiliza sinais elétricos ligados ou desligados para armazenar estados binários; assim como os transistores semicondutores de silício alternam entre 0 e 1 bits para realizar cálculos.

O professor de química da Duke, Michael Therien, e sua equipe dizem que encontraram uma maneira de contornar isso. A abordagem utiliza um nanotubo metálico, que sempre deixa passar a corrente, e o transforma em uma forma semicondutora que pode ser ligada e desligada.

O segredo está em polímeros especiais – substâncias cujas moléculas estão ligadas entre si em longas cadeias – que envolvem o nanotubo em uma espiral ordenada, “como enrolar uma fita em volta de um lápis”, disse o primeiro autor Francesco Mastrocinque, que obteve seu doutorado em química. . no laboratório de Therien em Duke.

O efeito é reversível, descobriram eles. Envolver o nanotubo em um polímero altera suas propriedades eletrônicas de condutor para semicondutor. Mas se o nanotubo for desembrulhado, ele volta ao seu estado metálico original.

Os pesquisadores também mostraram que, alterando o tipo de polímero que envolve um nanotubo, eles poderiam criar novos tipos de nanotubos semicondutores. Eles podem conduzir eletricidade, mas somente quando a quantidade certa de energia externa for aplicada.

"Este método fornece uma nova ferramenta sutil", disse Therien. "Ele permite que você crie um semicondutor por design."

As aplicações práticas do método provavelmente estão distantes. “Estamos muito longe de fabricar dispositivos”, acrescentou Therien.

Mastrocinque e seus coautores dizem que o trabalho é importante porque é uma forma de projetar semicondutores que podem conduzir eletricidade quando atingidos por luz de certos comprimentos de onda de baixa energia que são comuns, mas invisíveis aos olhos humanos.

No futuro, por exemplo, o trabalho da equipe de Duke poderá ajudar outros a projetar nanotubos que detectem o calor liberado como radiação infravermelha, para revelar pessoas ou veículos escondidos nas sombras. Quando a luz infravermelha – como a emitida por animais de sangue quente – atinge um desses híbridos de polímeros de nanotubos, ela gera um sinal elétrico.

Ou vejamos as células solares:esta técnica poderia ser usada para fabricar nanotubos semicondutores que convertem uma gama mais ampla de comprimentos de onda em eletricidade, para aproveitar mais a energia do sol.

Por causa do invólucro espiral na superfície do nanotubo, essas estruturas também poderiam ser materiais ideais para novas formas de computação e armazenamento de dados que utilizam os spins dos elétrons, além de sua carga, para processar e transportar informações.

Mais informações: Francesco Mastrocinque et al, Abertura de band gap de nanotubos de carbono metálicos de parede única via quebra de simetria não covalente, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2317078121
Fornecido pela Duke University

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