Eletrônica com carvão? Material surpreende e gera componentes de próxima geração

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/01/2024

O carvão gerou componentes até mesmo para a última palavra em hardware voltado para inteligência artificial.
[Imagem: Fufei An et al. - 10.1038/s44172-023-00141-9]

Pontos de carbono

O carbono é a base da vida na Terra, mas recentemente tem-se tornado também a estrela da nossa onda tecnológica.

O grafeno, por exemplo, é uma folha formada por uma única camada de átomos de carbono. O grafite, por sua vez, pode ser visto como um amontoado infindável de folhas de grafeno, o que pode explicar muito do comportamento do material - suas folhas facilmente deslocáveis explicam como o grafite do lápis solta-se tão facilmente sobre o papel ou como ele funciona como um excelente lubrificante.

Mas o carvão, embora igualmente formado principalmente por carbono, é algo totalmente diferente. O carvão é uma massa disforme de carbono sem nenhuma estrutura e repleta de outros elementos contaminantes. Para se ter uma ideia, basta lembrar que carvão e grafite são espécies mineralogicamente diferentes - é até possível fazer grafite de carvão, mas o trabalho e a qualidade final não compensam.

Assim, é surpreendente que Fufei An e colegas da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, nos EUA, tenham conseguido fabricar componentes eletrônicos para dispositivos de próxima geração usando apenas carvão.

"O carvão é geralmente considerado algo volumoso e sujo, mas as técnicas de processamento que desenvolvemos podem transformá-lo em materiais de alta pureza com apenas alguns átomos de espessura," disse o professor Qing Cao. "Suas estruturas e propriedades atômicas exclusivas são ideais para fabricar alguns dos menores componentes eletrônicos possíveis, com desempenho superior ao estado da arte."

Esquema dos pontos de carbono e fotos dos dispositivos construídos pela equipe.
[Imagem: Fufei An et al. - 10.1038/s44172-023-00141-9]

Componentes eletrônicos de carvão

O processo desenvolvido pela equipe primeiro converte carvão em discos de carbono em nanoescala chamados "pontos de carbono", que podem ser conectados para formar membranas atomicamente finas. E essas membranas são perfeitas para funcionarem como transistores bidimensionais e até como memoristores, os neurônios artificiais da emergente computação neuromórfica, que imita o cérebro humano.

Na busca contínua por eletrônicos menores, mais rápidos e mais eficientes, o passo definitivo serão componentes feitos com materiais com apenas um ou dois átomos de espessura. Embora os semicondutores ultrafinos venham sendo extensivamente estudados, também é necessário ter isolantes atomicamente finos - materiais que bloqueiam a passagem da corrente elétrica - para construir transistores e memoristores.

O que os pesquisadores fizeram agora foi demonstrar que camadas atomicamente finas de carbono, com estruturas atômicas desordenadas, podem funcionar como um excelente isolante para a construção de componentes eletrônicos bidimensionais - essas camadas de carbono são formadas a partir dos pontos de carbono derivados do carvão.

"É realmente muito emocionante, porque esta é a primeira vez que o carvão, algo que normalmente consideramos de baixa tecnologia, está diretamente ligado à vanguarda da microeletrônica," disse Cao.

Esquema e micrografia de um dos componentes.
[Imagem: Fufei An et al. - 10.1038/s44172-023-00141-9]

Dielétrico de transístor

Os pesquisadores usaram camadas de carbono derivadas de carvão como dielétrico de porta em transistores bidimensionais construídos com o semimetal grafeno e com o semicondutor molibdenita (dissulfeto de molibdênio), obtendo uma velocidade de operação mais de duas vezes mais rápida e com menor consumo de energia.

Como outros materiais atomicamente finos, as camadas de carbono derivadas do carvão não possuem "ligações pendentes", elétrons que não estejam associados a uma ligação química. Esses locais, que são abundantes na superfície dos isolantes tridimensionais convencionais, alteram suas propriedades elétricas, funcionando efetivamente como "armadilhas", retardando o transporte das cargas elétricas e, portanto, a velocidade de comutação do transístor.

No entanto, ao contrário de outros materiais atomicamente finos, as novas camadas de carbono derivadas do carvão são amorfas, o que significa que elas não possuem uma estrutura cristalina regular. Portanto, elas não têm limites entre diferentes regiões cristalinas que sirvam como caminhos de condução que levam ao "vazamento", onde correntes elétricas indesejadas fluem através do isolador e causam um consumo adicional substancial de energia durante as operações do componente.

O próximo passo necessário para que tenhamos uma eletrônica do carvão é demonstrar que esses componentes podem ser fabricados em larga escala de modo consistente.

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