Entendendo o Grafeno, substituto do Silício

Brasileiro é autor do mais recente trabalho sobre o grafeno, o material mais forte e impermeável do mundo que, como se não bastasse, possui velocidade de condução dezenas de vezes maior do que o silício.
Esse número incrível foi observado pelo Dr. Daniel Elias em um trabalho publicado na Nature Physics. O dado só confirmou o que a indústria da computação já sabia: o grafeno é o futuro da tecnologia.
Descrito na década de 40, o material só foi realmente obtido pela primeira vez em 2004 por uma dupla trabalhando na Universidade de Manchester. Andre Geim e Konstantin Novoselov ganharam o prêmio Nobel de Física em 2010 por terem obtido uma camada única de átomos de carbono, arranjados em hexágonos, como em colmeias de abelha – o grafeno.
Foi justamente para trabalhar ao lado de Geim que o brasileiro Elias, de 33 anos, deixou a Universidade Federal de Minas Gerais. A pesquisa recém-publicada é um dos resultados de seu pós-doutorado – um trabalho que conta com a participação dos dois prêmio Nobel. Da Inglaterra, ele falou à INFO Online.
INFO Online - Quais as propriedades do grafeno?
Daniel Elias - Em 2004, quando fizeram a descrição experimental do grafeno e suas propriedades eletrônicas, viu-se algo excepcional. Ele tem alta mobilidade a temperatura ambiente (tempo que o elétron navega sem colidir com nada), o que é muito difícil, pois a maioria dos materiais perde mobilidade quando aumentamos a temperatura. Ele é o material mais impermeável do mundo, capaz de segurar até mesmo o Hélio, um átomo dificílimo por ser pequeno e leve, e também é o mais forte do mundo. Dentro das suas proporções, é mais forte que diamante. Nele, a velocidade dos elétrons também é altíssima: no primeiro estudo, foi de 1000 km/s, o que é cerca de 60 vezes melhor do que o silício. Neste novo trabalho, observamos que essa velocidade pode triplicar – chegar a três mil quilômetros por segundo. Mas para ter essa velocidade, é preciso uma qualidade de cristal muito boa.
- Como são feitas essas amostras?
Para obtê-la, precisamos usar a técnica da fita adesiva, que garante os melhores cristais. A fabricação começa com cristais de grafite de boa qualidade. Você coloca um pedacinho em uma fita adesiva e vai dobrando a fita e esfoliando o grafite – que, na verdade, é composto por camadas de grafeno. Isso é feito até que se obtenha uma camada de carbono de apenas um átomo de espessura. Essa foi a técnica original, descrita em 2004 – mas embora garanta os melhores cristais de grafeno, ela é industrialmente inviável... Pelo menos por enquanto.
- Então as empresas de olho nessa tecnologia?
Sim. Todas as empresas de eletrônica estão investindo no grafeno. Em dois anos nós já teremos telas sensíveis ao toque produzidas com ele. O grafeno tem potencial de aumentar incrivelmente a velocidade dos computadores. O silício está chegando ao seu limite e precisará ser substituído por outro material – então, por que não o grafeno? É claro que ainda existem problemas que terão que ser resolvidos nessa substituição.
- Quais, por exemplo?
O principal é a maneira que os transistores funcionam hoje: eles precisam de um gap de energia no silício, uma situação na qual ele conduz e não conduz. E o grafeno não tem gap – então alguma coisa precisa ser mudada, ou no grafeno, ou no funcionamento do transistor. Se conseguirem, vai ser um salto histórico.
-E o Brasil, está avançado nas pesquisas com grafeno?
O país tem crescido bastante nessas áreas – vejo pelas pesquisas da própria UFMG. Além disso, um dos maiores pesquisadores de grafeno do mundo, o dr. Antonio Castro Neto, é brasileiro (formado pela Unicamp e professor da Universidade de Boston).
- E como você foi parar em Manchester?
- Comecei na UFMG, tentando reproduzir as ideias do 1º artigo sobre grafeno. O meu doutorado era com a bolsa sanduíche do CNPQ (que permite fazer uma parte das pesquisas fora do Brasil). Meus orientadores de mestrado e doutorado conheciam o Andre Geim. Em 2006, ele me aceitou como pesquisador e, depois de concluir meu doutorado, fui convidado a voltar e trabalhar com eles, fazendo meu pós-doutorado. Meu contrato dura mais um ano.

IBM anunciou circuito integrado de grafeno

A IBM anunciou na edição de ontem da Science a fabricação de circuitos integrados a base de grafeno em um único chip. O chamado “misturador” de frequências de rádio é capaz de produzir frequências de até 10 GHz.

O feito inédito abre portas para novas tecnologias, de celulares a uso militar, e demonstra que é possível superar os problemas de adesão que impediam o uso do grafeno.Com propriedades ópticas, elétricas, mecânicas e térmicas excepcionais, o grafeno é o material mais fino e forte que se conhece. Ele foi produzido pela primeira vez em 2004 e, no ano passado, ganhou o Prêmio Nobel de química. Sua estrutura consiste de blocos de carbono com a espessura de apenas um átomo, colocados em forma de favos de mel.

Embora transistores do material já tivessem sido criados, essa nova tecnologia é um grande passo além: ela une esses transistores a outros eletrônicos em um único chip, criando assim um circuito integrado funcional.

A dificuldade estava em ligá-lo a outros componentes metálicos, que não aderiam muito bem ao grafeno. Além disso, o material pode ser facilmente danificado pelos semicondutores.

O problema foi resolvido protegendo o grafeno com um polímero e, ao mesmo tempo, o cobrindo com um material sensível a litografia de elétrons – uma técnica que permitiu que o material fosse retirado em pontos estratégicos. O primeiro passo foi criar um filme de grafeno de duas ou três camadas sobre uma superfície de silício que, posteriormente, foi aquecida a 1400º C.

Os transistores foram integrados a essa placa, e então veio a cobertura protetora. O excesso de grafeno foi então removido e o trabalho final limpo com acetona. O resultado final é o circuito integrado de menos de 1mm2 de área.

Uma vez que um dos patrocinados do projeto é a DARPA, a agência do departamento de defesa dos EStados Unidos, é provável que o chip possa ser usado para projetos militares – como novas frequencias e formas de comunicação.

Chip de grafeno pode chegar a 1 THz, diz MIT

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) acreditam que os processadores feitos com grafeno podem atingir a frequência de 1 THz.

Para se ter uma ideia, os chips atuais chegam a, no máximo, 5 GHz. Segundo os pesquisadores que estão trabalhando com o componente, é possível que a nova tecnologia vá para o mercado nos próximos dois anos.

O grafeno é um composto de átomos de carbono unidos em pedaços que se parecem colmeias. Identificado em 2004, o material tem capacidade de conduzir muita eletricidade e gerar um nível de calor praticamente desprezível. Sua espessura não é maior que a de um átomo.

Os cientistas explicam que a multiplicação de clocks dos processadores atuais gera ruído de sinal. Por isso, é necessário usar filtros que acabam limitando a velocidade do chip. O grafeno usa apenas um transistor com saída limpa, eliminando a necessidade de filtros.

A tecnologia será colocada em discussão no próximo mês, quando acontecerá nos Estados Unidos o simpósio científico Electron Device Letters.