Os pesquisadores finalmente criam fios "metálicos" de carbono

Imagem de uma nanofita de grafeno semelhante a um metal com 1,6 nanômetro de largura (Nanoribra de grafeno, GNR) tirada com um microscópio de tunelamento .



Transistores baseados em carbono em vez de silício podem aumentar a velocidade dos computadores e reduzir o consumo de energia em mais de mil vezes - pense, por exemplo, em um telefone móvel que carrega por meses. Mas a gama de materiais necessários para criar cadeias de carbono funcionais permanece incompleta até hoje.



Uma equipe de químicos e físicos da Universidade da Califórnia em Berkeley finalmente criou a última peça que faltava - um fio feito inteiramente de carbono. Isso, por sua vez, abriu caminho para a pesquisa de transistores baseados em carbono e, em última instância, de computadores.



Felix Fischer, professor de química da Universidade da Califórnia, Berkeley, observou que a capacidade de fabricar todos os elementos IC a partir de um único material tornaria a fabricação mais fácil:

"Este era um dos pontos-chave que faltavam na arquitetura geral de circuitos integrados totalmente baseados em carbono."



Fios de metal são usados ​​para conectar transistores em um chip de computador - eles transportam eletricidade de um dispositivo para outro e conectam elementos semicondutores dentro de um bloco de chip.



O grupo da UC Berkeley vem trabalhando há vários anos em como fazer semicondutores e isolantes a partir de nanofitas de grafeno, que são tiras estreitas e unidimensionais de grafeno da espessura de um átomo. A estrutura dessas nanofitas é inteiramente composta por átomos de carbono dispostos em um sistema hexagonal que lembra uma malha de arame.



Enquanto outros materiais à base de carbono, como folhas de grafeno 2D e nanotubos de carbonopodem ser semelhantes ao metal, eles têm suas desvantagens. Por exemplo, converter uma folha de grafeno 2D em tiras do tamanho de nanômetros poderia transformá-los em semicondutores ou mesmo isolantes. Os nanotubos de carbono, que são excelentes condutores, não podem ser produzidos com a mesma precisão em grandes quantidades que as nanofitas.



“As nanofitas nos permitem acessar uma ampla variedade de estruturas usando design de baixo para cima, o que ainda não é possível com os nanotubos”, disse Michael Crommy, professor de física da Universidade de Berkeley. “Isso nos permitiu unir elétrons para criar uma nanofita condutora, o que não havíamos feito antes. Este é um dos grandes desafios da tecnologia de nanofibra de grafeno e é por isso que estamos tão entusiasmados com isso. "



As nanofitas de grafeno semelhantes a metal têm uma banda eletrônica ampla e parcialmente preenchida, típica dos metais, e podem ser comparáveis ​​em condutividade ao grafeno bidimensional.



“Esta é a primeira vez que podemos criar um condutor ultrafino a partir de materiais à base de carbono e este é um verdadeiro avanço”, acrescentou Fischer.



Crommy, Fisher e seus colegas da Universidade da Califórnia, Berkeley e do Berkeley National Laboratory publicaram suas descobertas na edição de 25 de setembro da Science.



Circuitos integrados baseados em silício têm sido usados ​​em computadores por décadas, aumentando regularmente em velocidade e desempenho de acordo com a Lei de Moore, mas eles já estão atingindo seu limite de velocidade para a rapidez com que podem alternar entre "zeros" e "uns". Também se torna cada vez mais difícil reduzir o consumo de energia; os computadores já consomem uma parcela significativa da produção mundial de energia. Os computadores baseados em carbono podem mudar potencialmente muito mais rápido do que os computadores de silício e consumir apenas uma fração de sua energia, disse Fisher.



O grafeno, que é carbono puro, tem sido o principal candidato à próxima geração de computadores baseados em carbono. No entanto, as tiras estreitas de grafeno são principalmente semicondutores, e o desafio era fazer com que funcionassem como isolantes e metais também para construir transistores baseados em carbono.



Vários anos atrás, Fischer e Crommy se uniram ao teórico de materiais Stephen Louis, professor de física da Universidade da Califórnia em Berkeley, para descobrir novas maneiras de conectar pequenos pedaços de nanofibra preservando todas as propriedades condutoras.



Dois anos atrás, a equipe demonstrou que ao conectar corretamente segmentos curtos de nanofita, os elétrons em cada segmento podem ser posicionados para criar um novo estado topológico - uma função de onda quântica distinta - resultando em propriedades ajustáveis ​​do semicondutor.



Em seu novo trabalho, eles usam uma técnica semelhante para "costurar" segmentos curtos de nanofitas para criar um fio metálico condutor com dezenas de nanômetros de comprimento e apenas um nanômetro de largura.



“Eles são todos projetados de tal forma que só podem ser combinados uns com os outros de uma maneira. É como se você pegasse uma sacola de Lego, agitasse e tivesse um carro totalmente montado ”, disse ele. "Esta é a mágica do controle de automontagem com química."



“Por meio da química, fizemos pequenas alterações em uma ligação química para cada 100 átomos e aumentamos a condutividade do nanofibra em 20 vezes. E é importante do ponto de vista prático obter um bom metal dessa forma ”, disse Crommy.



“Acredito que esta tecnologia irá revolucionar a maneira como construímos circuitos integrados no futuro”, disse Fischer. “Este será um grande passo em frente no design e fabricação de eletrônicos, em comparação com o que você esperaria do silício agora. Agora temos a capacidade de obter um desempenho mais rápido com muito menos consumo de energia. Esta será a força motriz por trás do futuro da indústria de semicondutores eletrônicos. "