Grafeno

Constituído por uma folha microscópica de grafite, o material é capaz de atingir frequências que podem passar dos 500 GHz.

O grafeno sempre figura em uma série de notícias como um composto revolucionário na indústria de eletrônicos, mas dificilmente é visto colocado em prática. Isso ocorre porque essas partículas ainda não conseguem resultados melhores que o silício, que domina o mercado, e porque manusear a substância ainda possui algumas dificuldades. Agora, uma descoberta da Universidade da Pensilvânia pode finalmente mudar esse quadro.

Os pesquisadores apostam na união de camadas de grafeno com outra substância, o nitreto hexagonal de boro (hBN). Esse composto, que “mede” algumas centenas de átomos, pode ser usada como transistor para dispositivos eletrônicos. O desempenho seria até três vezes maior que o normal – mas ainda insuficiente para superar o silício.

Aí vem o conceito que pode revolucionar o caso: como o boro (do hBN) e o carbono (do grafeno) se relacionam bem a nível de elétrons, foi possível produzir essa união em larga escala e em maior tamanho, utilizando átomos de hidrogênio para “grudar” as duas substâncias.

Nos últimos anos, a tendência para obter equipamentos melhores foi apostar na miniaturização dos componentes. Porém, conforme essa tecnologia mostra sinais de desgaste e se torna mais difícil alcançar desempenhos mais elevados, aumentam os esforços na busca por materiais baratos que sejam capazes de substituir o silício.

A aposta de material para os componentes do futuro é o grafeno, uma forma pura de carbono descoberta em 2004. Enquanto o silício suporta no máximo frequências entre 4 a 5 GHz, esse valor pode passar dos 500 Ghz caso o material utilizado seja o grafeno, devido às particularidades do material.

O Massachusetts Institute of Technology (MIT) desenvolveu um chip que tem o grafeno como base, capaz de multiplicar frequências. Após cruzar o chip, foi possível dobrar a frequência de um sinal eletromagnético, o que abre a possibilidade de criar componentes eletrônicos muito mais eficientes.

O grafeno é constituído por uma camada extremamente fina de grafite, o mesmo material encontrado em qualquer lápis comum. O que torna o material especial é a estrutura hexagonal com que seus átomos individuais estão distribuídos, que gera uma folha plana que, se enroladas, geram nanotubos de carbono.

Em um transistor, uma pequena corrente elétrica é utilizada para controlar uma porta por onde passa uma corrente muito maior: o componente funciona como uma chave que liga ou desliga a corrente conforme a necessidade do dispositivo.

Como o grafeno é um material extremamente fino e que permite que cargas elétricas fluam com facilidade, se mostra como uma alternativa ao silício na construção de transistores ainda mais eficientes.

Além de servir para a construção de transistores e multiplicadores de frequência, já se cogita utilizar o grafeno como substituto para o índio, material raro utilizado para a fabricação de televisores OLED.

O maior desafio enfrentado pelos desenvolvedores que apostam na nova tecnologia é conseguir tornar viável o processo de fabricação em larga escala. Como as folhas de grafeno possuem somente um átomo de espessura, a maioria dos componentes testados até o momento só foram possíveis por terem sido desenvolvidos em ambientes de laboratório.

Porém, tudo aponta que nos próximos anos haverá uma substituição gradual do silício pelo grafeno, como apontam as pesquisas feitas pelo Laboratório Nacional de Física, do Reino Unido.

Utilizando a mesma técnica utilizada para o crescimento de cristais, os pesquisadores foram capazes de desenvolver amostras de grafeno com 50 milímetros quadrados – pouco menor do que os processadores encontrados no mercado, e suficiente para a fabricação de componentes eletrônicos como transistores.

Grafeno converte eletricidade em magnetismo

A equipe do ganhador do Prêmio Nobel de Física pela descoberta do grafeno, Andre Geim, descobriu agora que uma corrente elétrica pode magnetizar o grafeno.

A ilustração mostra um fluxo de elétrons (setas verdes) que magnetizam o grafeno na direção oposta ao fluxo da corrente elétrica.[Imagem: Geim Lab/Univ.Manchester/Science]

"O cálice sagrado da spintrônica é a conversão de eletricidade em magnetismo e vice-versa. Nós descobrimos um novo mecanismo, graças às propriedades únicas do grafeno. Acredito que vários caminhos na spintrônica irão se beneficiar desta descoberta," disse o Dr. Geim.

Spintrônica na prática

A spintrônica é um grupo de tecnologias emergentes que é capaz de usar o spin dos elétrons individuais, enquanto a microeletrônica atual precisa de bilhões de elétrons em movimento para se aproveitar de sua outra propriedade, a carga elétrica.

Foi a spintrônica que viabilizou a fabricação dos discos rígidos atuais, na faixa dos terabytes: esses discos rígidos mais modernos possuem um sensor magnético que usa uma corrente de spins para ler os dados.

E as memórias de acesso aleatórias magnéticas (MRAM), que tam-bém são fruto da spintrônica, já começam a se difundir pelo mer-cado.

O elemento chave da spintrônica está em conectar o spin do elétron - o momento angular, que o faz comportar-se de forma similar a um pequeno ímã - com a corrente elétrica, esta podendo ser manipu-lada de forma muito eficiente com a microeletrônica tradicional e sua eletricidade.

Corrente de spins

Geim e seus colegas injetaram uma corrente elétrica através de dois eletrodos colocados muito próximos um do outro em uma folha de grafeno. A seguir, eles mediram a tensão em uma região do gra-feno afastada 10 milionésimos de metro dos eletrodos.

Em qualquer outro material, essa tensão deveria ser muito próxima de zero, porque a fuga de corrente da rota que liga os dois eletro-dos vai se tornando progressivamente mais fraca conforme se afasta dos eletrodos.

Mas os cientistas descobriram que, quando eles aplicam um campo magnético perpendicularmente à folha de grafeno, essa tensão na verdade fica muito forte.

Isto seria um indício de uma corrente polarizada pelo spin, que seria gerada porque o campo magnético gera um desbalancea-mento no número de elétrons com spins para cima e spins para baixo - os cientistas acreditam que o campo magnético gera uma condição mais favorável para um tipo de spin do que para o outro.

Grafeno converte eletricidade em magnetismo

Este é o dispositivo usado para detectar a magnetização induzida no grafeno. [Imagem: Abanin et al./Science]

Conexão entre magnetismo e eletricidade

O experimento mostra uma nova forma de conectar o spin e a carga do elétron gerando um fluxo de spins na perpendicular da corrente elétrica, tornando o grafeno magnetizado.

Isto lembra o efeito verificado nos chamados materiais de interação spin-órbita, nos quais minúsculos campos magnéticos criados pelo núcleo dos átomos afeta o movimento dos elétrons em um cristal.

A diferença é que, nos materiais de interação spin-órbita, o efeito é fraco demais para ser usado na prática com a tecnologia atual. No grafeno, o efeito agora medido é muito mais forte e tem a vantagem adicional de poder ser ajustado variando-se o campo magnético externo.

Os pesquisadores mostraram ainda que o grafeno depositado sobre o nitreto de boro, como usado em seu experimento, torna-se um material ideal para a spintrônica porque o magnetismo que o nitreto de boro induz se estende por distâncias macroscópicas sem decaimento.

Vantagens e desvantagens

Levará ainda algum tempo para que os cientistas explorem todo o possível impacto desta descoberta, mas todos são unânimes em dizer que a possibilidade de usar o grafeno para fazer a conexão entre o spin e a carga do elétron usando um campo magnético relativamente fraco é um achado significativo.

Embora ainda não tenha sido demonstrado na prática, a descoberta abre a possibilidade de criação de transistores baseados no spin do elétron.

A necessidade de aplicação de um campo magnético externo, por outro lado, parece ser uma desvantagem quando se tem em vista as possíveis aplicações práticas da descoberta - isso poderia significar que um componente spintrônico de grafeno poderia sofrer a interferência de campos magnéticos indesejados ao seu redor.

Conheça o grafeno, material que promete substituir o silício na fabricação de componentes eletrônicos

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