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Colunas / Do laboratório para a fábrica

Promessas tecnológicas do grafeno

Carlos Alberto dos Santos discute as aplicações do grafeno e mostra por que pesquisadores e empreendedores estão empolgados com a perspectiva de usar esse material na produção de transistores e circuitos eletrônicos em escala industrial.

Por: Carlos Alberto dos Santos

Publicado em 25/06/2010 | Atualizado em 25/06/2010

Promessas tecnológicas do grafeno

O grafeno – nome dado a um arranjo especial de átomos de carbono dispostos em plano com a estrutura do grafite – é a nova menina dos olhos de cientistas, engenheiros e empresários (arte: Thomas Szkopek / Universidade McGill).

Na coluna de fevereiro de 2009, descrevemos como o grafeno foi produzido pela primeira vez. Esse termo já vinha sendo usado desde 1987 para designar o plano atômico com o qual a estrutura do grafite é formada, mas só em 2004 esse material foi experimentalmente isolado.

Algumas das suas propriedades imediatamente despertaram enorme interesse da comunidade científica. Em primeiro lugar, o grafeno tanto pode ser considerado semicondutor como condutor. E não estamos falando de um condutor qualquer: sua condutividade chega a ser 10 vezes superior à do cobre. Suportar correntes elétricas 100 vezes superiores àquelas toleradas pelo cobre também encheu os olhos dos pesquisadores.

Finalmente, um material semicondutor tão fino quanto uma camada atômica era tudo que os fabricantes de transistores queriam para vencer a Lei de Moore, que em linguagem coloquial pode ser assim enunciada: a complexidade dos circuitos integrados dobra a cada 18 meses, o que implica no aumento de rendimento e na diminuição de preços dos transistores.

Por essas e por outras, a quantidade de artigos publicados na literatura especializada sobre esse material tem crescido vertiginosamente. Na base de dados do Instituto para Informação Científica (ISI, na sigla em inglês), não havia qualquer trabalho publicado sobre o grafeno até 1989. Entre 1990 e 1999 apareceram 348 artigos. Esse número pulou para 5.270 na década seguinte e, até meados de junho deste ano, mais de 1.300 já haviam sido publicados.

A quantidade de artigos publicados científicos sobre o grafeno tem crescido vertiginosamente

Dos quase 7 mil artigos publicados até agora, menos de 200 tratam da utilização de grafeno na fabricação de transistores, mas essa é a área que está alimentando o imaginário de cientistas, engenheiros e empresários.

A coisa é séria – que o diga o International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), conjunto de documentos elaborados pela indústria de semicondutores para orientar as ações nessa área.

Se não fosse sério, o ITRS não recomendaria com tanta ênfase o aumento das pesquisas com esse material, e não o teria eleito como um dos potenciais candidatos para substituir o silício nos dispositivos eletrônicos.

Transistores de grafeno

Antes de apresentarmos as aplicações tecnológicas, convém fazermos uma clara distinção entre as diferentes formas do grafeno, pois elas apresentam propriedades eletrônicas distintas. Esse material é uma espécie de folha com algumas (poucas) camadas de átomos de carbono.

Sob essa forma, a literatura consagrou a denominação grafeno de grande área. Enrolado na forma de um canudo, ele recebe o nome de nanotubo de carbono. Em algumas aplicações, o grafeno também pode ser usado na forma de fitas.

Nanotubo de carbono
Quando enrolado na forma de um canudo, a 'folha' de grafeno ganha o nome de nanotubo de carbono (arte: Michael Ströck / CC 3.0 - BY - SA).

Os primeiros transistores confeccionados com nanotubos de carbono surgiram na literatura por volta de 1998, mas um dos primeiros a utilizar o grafeno de grande área só apareceu em 2007, em um trabalho assinado por pesquisadores do Centro de Microeletrônica Avançada de Aachen, na Alemanha. No mesmo ano, uma colaboração entre pesquisadores das universidades de Pequim (China) e de Utah (EUA) resultou na proposta teórica de um transistor confeccionado com fita de grafeno.

O surgimento de produtos comerciais baseados no grafeno ainda enfrenta obstáculos

Atualmente essas duas formas de grafeno dominam as pesquisas tecnológicas na área da eletrônica. O surgimento de produtos comerciais enfrenta dificuldades consideráveis em ambas as formas do material. Vejamos por quê.

Na coluna citada acima, mostrei que nos semicondutores a condução elétrica ocorre em duas vias (banda de valência e banda de condução) separadas por uma espécie de barreira energética. É esse tipo de estrutura que permite aos semicondutores atuarem seletivamente: eles deixam passar a corrente em um sentido e bloqueiam-na no sentido inverso. Esse mecanismo liga-desliga origina toda a eletrônica digital e os circuitos lógicos.

A dificuldade com o grafeno de larga área é que, embora haja controvérsia em relação a isso, parece que ele não tem a tal barreira separando a banda de valência da banda de condução. Isso impede que ele funcione em circuitos lógicos, pois deixa passar corrente em ambos os sentidos. O grande desafio tecnológico no momento é criar essa barreira nesse material. 

Estrada iluminada por faróis
Os carros que se movem nos dois sentidos opostos de uma autoestrada e o espaço que separa as duas pistas são uma boa metáfora para explicar a condução elétrica nos materiais semicondutores (foto: Žan Kafol).

Nanofita de grafeno

O modo mais visado pelos pesquisadores para produzir essa barreira é pela redução da folha de grafeno até que ela se transforme em uma fita quase unidimensional, ou seja, uma nanofita. Isso foi mostrado teoricamente pelos pesquisadores das universidades de Pequim e Utah e comprovado experimentalmente no mesmo ano por pesquisadores da Universidade de Colúmbia (EUA).

Essas barreiras nanométricas estão deixando todos com água na boca: é a chance de vencer a Lei de Moore. Se as soluções encontradas até o momento em laboratório passarem para a escala industrial, espera-se é que os produtos apresentem rendimentos extraordinários.

Mas, é preciso cautela com essa expectativa. Um dos indicadores da velocidade de processamento de transistores microscópicos é a mobilidade dos portadores de carga elétrica (lacunas ou elétrons).

A mobilidade medida em amostras de grafeno é extraordinariamente alta. Os valores mais modestos chegam a ser 10 vezes superior aos valores medidos em silício. No entanto, esses valores são medidos em grafeno de larga área, que não tem barreira energética e, portanto, não podem ser usado em circuitos lógicos.

O grafeno de larga área parece ter um futuro promissor nos transistores de alta frequência

Quando as barreiras energéticas forem introduzidas e o grafeno passar a ser usado em transistores, a mobilidade deverá cair, como ocorre nos transistores microscópicos. Essa é uma questão que a comunidade científica ainda não resolveu, mas é grande a confiança de que soluções surgirão no curto prazo.

Se o grafeno de larga área não consegue competir com os transistores de silício em circuitos lógicos, ele parece ter um futuro promissor em transistores de alta frequência. A prestigiosa revista Science publicou na edição de 5 fevereiro de 2010 um artigo de uma equipe de pesquisadores da IBM, relatando a fabricação de um transistor que opera na frequência de 100 gigahertz – valor muito superior ao obtido pelos melhores transistores de silício.

Apesar disso, esse dispositivo ainda apresenta dificuldades para chegar ao comércio. Entre elas, a principal tem a ver com um comportamento de saturação indesejado, uma questão técnica demais para ser discutida aqui.

Comparado com o charme dos circuitos lógicos, a mais recente aplicação tecnológica pode ser uma desonra para o grafeno. Estão pensando em usá-lo como simples condutor, no lugar de cobre, uma vez que ele suporta densidade de corrente elétrica 100 vezes maior do que aquela tolerada pelo seu rival, e tem condutividade térmica 10 vezes maior.

Ainda assim, se os transistores de grafeno saírem da fábrica para as prateleiras do comércio, ele vai posar de maître mesmo quando estiver varrendo o chão.

Carlos Alberto dos Santos
Pró-reitor de Pesquisa e Pós-graduação
Universidade Federal da Integração Latino-americana (Unila)

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Carlos Alberto dos Santos

A coluna Do laboratório para a fábrica é publicada na primeira sexta-feira do mês, desde abril de 2007. Ela é mantida pelo físico Carlos Alberto dos Santos, professor visitante sênior da Universidade Federal da Integração Latino-americana (Unila). Seus textos apresentam casos de inovação tecnológica. Visite o arquivo para ler as colunas anteriores e leia a apresentação do colunista. Envie críticas, comentários e sugestões para carlos.santos@unila.edu.br

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