Semicondutor ajustável abre novas fronteiras na eletrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/07/2009

Acima, uma folha de grafeno bicamada, quase transparente, colocada sobre os eletrodos e fotografada por microscópio eletrônico. Abaixo, o corte transversal mostrando a estrutura do componente.
[Imagem: Feng Wang/UC Berkeley]

Cientistas da Universidade de Berkeley utilizaram o grafeno, uma folha de átomos de carbono dispostos de forma parecida com uma tela de galinheiro, para criar um material semicondutor com propriedades ajustáveis.

Os transistores e LEDs atuais são construídos com materiais semicondutores - o silício e o arseneto de gálio - que possuem propriedades ópticas e eletrônicas fixas.

Agora os cientistas descobriram que, colocando duas camadas de grafeno, uma sobre a outra, é possível criar um material cujas propriedades eletrônicas são totalmente ajustáveis.

De metal a semicondutor

"O avanço real aqui é que, pela primeira vez, você pode usar um campo elétrico para abrir e fechar a bandgap. Nenhum outro material pode fazer isto, somente o grafeno bicamada," diz o Dr. Feng Wang.

A bandgap de um material é a diferença de energia entre os elétrons da camada de valência do material e aqueles da camada de condução. É essa quantidade de energia que define as propriedades eletrônicas e ópticas de cada material.

Para se ter uma ideia da alteração de propriedades que esse ajuste permite, basta ver que, ao mudar a bandgap do grafeno, ele deixa de ser um metal e passa a se comportar como um semicondutor.

Além das implicações diretas para a indústria de semicondutores, este é um objetivo longamente perseguido pelos cientistas e representa um avanço importante no campo da física da matéria condensada.

Componentes eletrônicos ajustáveis

A possibilidade de ajuste da bandgap significa que uma folha de apenas 1 milímetro quadrado de grafeno bicamada poderá conter milhões de diferentes componentes eletrônicos ajustáveis que poderão ser reconfigurados conforme a necessidade simplesmente enviando para cada um deles um sinal elétrico.

O grafeno é um material extremamente promissor no campo emergente da eletrônica orgânica e ainda se sabe pouco a seu respeito - o grafeno somente foi descoberto em 2004. A teoria prevê que, entre suas propriedades eletrônicas incomuns, está o fato de que ele possui uma mobilidade dos elétrons mais de 10 vezes superior à do silício, o material básico da eletrônica atual.

Mas, desde o início das pesquisas com esse novo material, os cientistas encontraram um problema para seu uso na eletrônica: como ele é um excelente condutor - o que significa uma bandgap igual a zero - isto significa que componentes eletrônicos feitos com ele estarão sempre ligados. E, para se construir qualquer componente eletrônico, como um transístor, é necessário que ele alterne entre as situações ligado e desligado.

Enquanto uma camada única de grafeno tem sempre a bandgap igual a zero, duas camadas sobrepostas - o grafeno bicamada - podem ter esses níveis de energia controlados por um campo elétrico externo, como esta pesquisa agora demonstra.

LEDs de grafeno

Os pesquisadores conseguiram variar a bandgap do grafeno bicamada de 0 a 250 mili-elétron volts (meV), uma faixa que cobre sua passagem de um comportamento de metal para funcionar como um semicondutor. Para comparação, o semicondutor germânio alcança 740 meV e o silício chega a 1.200 meV.

Essa variação do nível de energia do grafeno significa também que ele poderá ser a base para a construção de LEDs capazes de emitir luz na faixa de frequências que vai do infravermelho longo ao infravermelho médio. Em última instância, isso abre a possibilidade de sua utilização em lasers em frequências que vão do infravermelho ao terahertz.

Energia Fermi

A equipe de pesquisadores também demonstrou que é possível alterar outra propriedade crítica do grafeno, sua energia Fermi, que é a energia máxima do estado ocupado de um elétron, estabelecendo a densidade energética do material.

"Com eletrodos em cima e embaixo do grafeno bicamada, você pode controlar independentemente os dois parâmetros mais importantes de um semicondutor: Você pode alterar a estrutura eletrônica, variando continuamente a bandgap, e controlar independentemente a dopagem eletrônica variando o nível da energia Fermi," explica Wang.

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