Uso prático do grafeno não será tão fácil quanto se imaginava

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/01/2011

A superfície plana e regular do grafeno torna-se cheia de irregularidades e "armadilhas" para os elétrons, criando pontos quânticos (QD) de diversos tamanhos.
[Imagem: AlexanderAlUS/Jung et al./Nature Physics]

Material promissor

Os cientistas adoram o grafeno - essas folhas unidimensionais de carbono renderam o Prêmio Nobel de Física de 2010 aos pioneiros na área.

Os engenheiros também estão entusiasmados com ele: além de ser o material mais forte que existe, ele parece servir para quase tudo na indústria eletrônica.

E os apaixonados por tecnologia, por sua vez já não veem a hora de pôr as mãos nas maravilhas que esse material futurista promete.

Mas o caminho do grafeno rumo às aplicações práticas pode ter mais obstáculos do que se previa inicialmente, segundo as mais precisas medições já feitas, realizadas agora no Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST), nos Estados Unidos.

Buracos à frente

Uma folha bidimensional de grafeno - uma folha com apenas um átomo de carbono de espessura - é como uma autoestrada para os elétrons, que disparam através do material com uma mobilidade 100 vezes maior do que aquela que têm no silício.

Mas basta que as camadas de grafeno sejam colocadas sobre um substrato - algo essencial para a criação de dispositivos práticos - para que essa super autoestrada se transforme em uma estradinha de terra cheia de saliências e buracos, tornando o movimento dos elétrons uma verdadeira via crúcis.

Segundo os cientistas, as propriedades ideais do grafeno estão disponíveis apenas quando ele está isolado do ambiente.

"Para obter o benefício máximo do grafeno, temos de entender como as suas propriedades mudam quando o material é colocado em condições do mundo real, como parte de um dispositivo, onde ele está em contato com outros tipos de materiais," explica Joseph Stroscio, um dos autores dos testes.

Sanduíche indigesto

E um processador, ou qualquer outro circuito integrado, está longe de se parecer com um material puro. Um chip está mais para um sanduíche com todos os recheios que se tem direito - camadas superpostas e alternadas de materiais condutores, semicondutores e isolantes, sem contar os dopantes, os materiais em quantidades traço que dão as características a cada uma dessas camadas.

Mas bastou colocar o grafeno em um dos sanduíches mais simples da eletrônica - uma folha de grafeno e uma folha de outro condutor, separados por uma camada isolante - para que os problemas começassem a aparecer.

Nesse componente eletrônico básico, quando o condutor inferior é carregado eletricamente, ele induz uma carga igual e oposta no grafeno.

"O que descobrimos é que as variações no potencial elétrico do substrato isolante interferem nas órbitas dos elétrons no grafeno, criando poços onde os elétrons se acumulam, reduzindo sua mobilidade," explica Nikolai Zhitenev, outro membro da equipe.

O efeito é especialmente pronunciado quando o grafeno montado sobre o substrato sofre a influência de campos magnéticos. Então, os elétrons, já lentos pelas interações com o substrato, ficam sem a energia suficiente para escalar os obstáculos e se acumulam em bolsões isolados, formando pontos quânticos, regiões nanométricas que confinam cargas elétricas em todas as direções.

Prêmio de consolação

Mas nem tudo são más notícias.

Em primeiro lugar, algumas empresas já estão construindo protótipos de componentes eletrônicos à base de grafeno que têm-se mostrado bastante eficientes.

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E os pontos quânticos estão sendo pesquisados para uma infinidade de aplicações. O fato de ser tão fácil criá-los no grafeno pode abrir novas fronteiras de pesquisa.

Finalmente, a técnica usada nestas medições também será útil para estudar a física de materiais isolantes e, em última, instância, melhorar todos os eletrônicos, sejam feitos de grafeno ou não.

"Geralmente nós não conseguimos estudar isolantes em escala atômica," explica Stroscio. "O microscópio de tunelamento (STM) funciona com um sistema de circuito fechado que mantém uma corrente de tunelamento constante por meio do ajuste da distância entre a ponta [do microscópio] e a amostra."

Como não há corrente em um material isolante, o sistema vai empurrando a ponta cada vez mais próximo da amostra a ser estudada, até tocá-la e danificá-la, por vezes danificando também o próprio microscópio.

"O grafeno nos permite chegar perto o suficiente desses materiais para estudar suas propriedades elétricas, mas não perto o suficiente para danificar a amostra e o microscópio," diz o cientista.

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