Uma equipe de químicos e físicos da Universidade da Califórnia, Berkeley, finalmente criou a última ferramenta na caixa de ferramentas, um fio metálico feito inteiramente de carbono, preparando o terreno para um aumento na pesquisa para construir transistores baseados em carbono e, em última análise, computadores.
"Ficar dentro do mesmo material, dentro do reino dos materiais à base de carbono, é o que une essa tecnologia agora", disse Felix Fischer, professor de química da UC Berkeley, observando que a capacidade de fazer todos os elementos do circuito com o mesmo material torna a fabricação Mais fácil. "Essa é uma das coisas-chave que faltam no quadro geral de uma arquitetura de circuito integrado totalmente baseada em carbono".
Fios de metal - como os canais metálicos usados para conectar transistores em um chip de computador - transportam eletricidade de dispositivo para dispositivo e interconectam os elementos semicondutores dentro dos transistores, os blocos de construção dos computadores.
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 com espessura de átomo, uma estrutura composta inteiramente de átomos de carbono dispostos em um padrão hexagonal interconectado semelhante a galinha fio.
O novo metal à base de carbono também é uma nanofita de grafeno , mas projetada com o objetivo de conduzir elétrons entre nanofitas semicondutoras em transistores totalmente de carbono. As nanofitas metálicas foram construídas com a montagem de blocos de construção idênticos menores: uma abordagem de baixo para cima, disse o colega de Fischer, Michael Crommie, professor de física da UC Berkeley. Cada bloco de construção contribui com um elétron que pode fluir livremente ao longo da nanofita.
Embora outros materiais à base de carbono - como folhas 2-D estendidas de grafeno e nanotubos de carbono - possam ser metálicos, eles têm seus problemas. Remodelar uma folha 2-D de grafeno em tiras em escala nanométrica, por exemplo, transforma-as espontaneamente em semicondutores ou mesmo isolantes. Os nanotubos de carbono, que são excelentes condutores, não podem ser preparados com a mesma precisão e reprodutibilidade em grandes quantidades que as nanofitas.
"As nanofitas nos permitem acessar quimicamente uma ampla gama de estruturas usando a fabricação de baixo para cima, algo que ainda não é possível com os nanotubos", disse Crommie. "Isso nos permitiu basicamente juntar os elétrons para criar uma nanofita metálica, algo nunca feito antes. Este é um dos grandes desafios na área da tecnologia de nanofibra de grafeno e por que estamos tão entusiasmados com isso".
As nanofitas metálicas de grafeno - que apresentam uma banda eletrônica ampla e parcialmente preenchida, característica dos metais - devem ser comparáveis em condutância ao próprio grafeno 2-D.
"Achamos que os fios metálicos são realmente uma inovação; é a primeira vez que podemos criar intencionalmente um condutor metálico ultra estreito - um bom condutor intrínseco - de materiais à base de carbono, sem a necessidade de dopagem externa," Fischer acrescentou.
Crommie, Fischer e seus colegas da UC Berkeley e Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) publicarão suas descobertas na edição de 25 de setembro da revista Science .
Ajustando a topologia
Circuitos integrados baseados em silício alimentaram computadores por décadas com velocidade e desempenho cada vez maiores, de acordo com a Lei de Moore, mas eles estão atingindo seu limite de velocidade - isto é, a rapidez com que podem alternar entre zeros e uns. Também está se tornando mais difícil reduzir o consumo de energia; os computadores já usam uma fração substancial da produção mundial de energia. Os computadores baseados em carbono podem mudar muitas vezes mais rápido do que os computadores de silício e usar apenas frações da energia, disse Fischer.
O grafeno, que é carbono puro, é o principal candidato a esses computadores de próxima geração baseados em carbono. Tiras estreitas de grafeno são principalmente semicondutores, no entanto, e o desafio tem sido fazer com que funcionem também como isolantes e metais - extremos opostos, totalmente não condutores e totalmente condutores, respectivamente - de modo a construir transistores e processadores inteiramente de carbono.
Vários anos atrás, Fischer e Crommie se uniram ao cientista de materiais teóricos Steven Louie, um professor de física da UC Berkeley, para descobrir novas maneiras de conectar pequenos comprimentos de nanofibra para criar de forma confiável a gama completa de propriedades condutoras.
Dois anos atrás, a equipe demonstrou que conectando segmentos curtos de nanofibra da maneira certa, os elétrons em cada segmento poderiam ser organizados para criar um novo estado topológico - uma função de onda quântica especial - levando a propriedades semicondutoras ajustáveis.
No novo trabalho, eles usam uma técnica semelhante para costurar segmentos curtos de nanofitas para criar um fio de metal condutor com dezenas de nanômetros de comprimento e quase um nanômetro de largura.
As nanofitas foram criadas quimicamente e fotografadas em superfícies muito planas usando um microscópio de tunelamento de varredura. O calor simples foi usado para induzir as moléculas a reagir quimicamente e se unir da maneira certa. Fischer compara a montagem de blocos de construção encadeados em margarida a um conjunto de Legos, mas Legos projetados para caber na escala atômica.
"Eles são todos projetados com precisão para que haja apenas uma maneira de se encaixarem. É como se você pegasse uma sacola de Legos e a sacudisse, e de onde sairia um carro totalmente montado", disse ele. "Essa é a mágica de controlar a automontagem com química".
Depois de montado, o estado eletrônico da nova nanofita era um metal - exatamente como Louie previu - com cada segmento contribuindo com um único elétron condutor.
O avanço final pode ser atribuído a uma mudança minuciosa na estrutura do nanofibra.
"Usando a química, criamos uma pequena mudança, uma mudança em apenas uma ligação química a cada 100 átomos, mas que aumentou a metalicidade da nanofita em um fator de 20, e isso é importante, do ponto de vista prático, para faça deste um bom metal ", disse Crommie.
Os dois pesquisadores estão trabalhando com engenheiros elétricos na UC Berkeley para montar sua caixa de ferramentas de nanofitas de grafeno semicondutor, isolante e metálico em transistores funcionais.
"Acredito que esta tecnologia vai revolucionar a forma como construímos circuitos integrados no futuro", disse Fischer. "Deve nos dar um grande passo em relação ao melhor desempenho que se pode esperar do silício agora. Agora temos um caminho para acessar velocidades de comutação mais rápidas com consumo de energia muito menor . É isso que está impulsionando o impulso em direção a uma base de carbono indústria de semicondutores eletrônicos no futuro".
A maior nanofita de grafeno do mundo promete a próxima geração de eletrônicos miniaturizados
Mais informações: "Induzindo metalicidade em nanofitas de grafeno via superredes de modo zero" Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.aay3588
HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica, Astrobiologia e Climatologia).Participou do curso de Astrofísica, concluído em 2020, pela Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC).
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