Método de grafeno CVD mais simples abre caminho para nova era da nanoeletrônica
Desde sua descoberta, em 2004, o grafeno tem recebido atenção devido às suas propriedades extraordinárias, entre elas sua mobilidade extremamente alta. No entanto, a alta mobilidade dos transportadores só tem sido observada utilizando técnicas que requerem métodos complexos e caros de fabricação. Agora, pesquisadores da Chalmers relatam uma mobilidade surpreendentemente alta de grafeno usando métodos muito mais baratos e simples. “Esse achado mostra que o grafeno transferido para substratos baratos e flexíveis ainda pode ter uma mobilidade intransigentemente alta, e abre caminho para uma nova era de nanoeletrônica de grafeno CVD”,
É o que diz Munis Khan, pesquisador da Universidade de Tecnologia Chalmers.
O grafeno é a camada de um átomo de espessura de átomos de carbono, conhecida como o material mais fino do mundo. O material tornou-se uma escolha popular na indústria semicondutora, automotiva e optoeletrônica devido às suas excelentes propriedades elétricas, químicas e materiais. Uma dessas propriedades é sua mobilidade extremamente alta.
“Na física de estado sólido, a mobilidade do portador de elétrons caracteriza a rapidez com que um elétron pode se mover através de um metal ou semicondutor quando puxado por um campo elétrico. A alta mobilidade eletrônica do “mineral” aponta para um grande potencial para comunicações de banda larga e eletrônicos de alta velocidade operando a taxas de comutação de terahertz. Além disso, as outras propriedades materiais, como alta estabilidade química, excelente transparência e sensibilidade elétrica em relação aos bioquímicos, fazem dele um material promissor para displays, dispositivos de colheita de luz e biosensores”, diz Munis Khan.
a mobilidade extremamente alta do transportador nesse mineral é observada em grafeno esfoliado mecanicamente, um processo que carece de escalabilidade industrial, ou dispositivos de grafeno fabricados no nitreto hexagonal-boro. Tais altas mobilidades também têm sido observadas pela transferência do grafeno cultivado por um processo chamado deposição de vapor químico (DCV) para heteroestruturas de óxido complexo. Todas essas técnicas exigem métodos complexos e caros de fabricação, o que não só o torna mais caro, mas também dificulta a produção em massa desses dispositivos.
Grafeno CVD mais barato com alta mobilidade portadora
Agora, Munis Khan e seus colegas relatam uma mobilidade surpreendentemente alta de grafeno CVD cultivada em papel alumínio de cobre não polido e transferida para a folha de laminação EVA/PET usando um laminador de escritório comum e gravura molhada de cobre. A mobilidade aumentou até oito vezes depois de simplesmente segurar o sanduíche de grafeno em plástico a 60 C por algumas horas.
“Esse achado mostra que mesmo dispositivos de grafeno baratos e flexíveis ainda podem ter uma mobilidade intransigentemente alta”, diz Munis Khan. “Nosso artigo propõe um método simples para fabricar dispositivos de grafeno baratos em substratos flexíveis com alta mobilidade portadora, provavelmente limitado apenas pelo processo CVD e pureza do cobre.”
O grafeno CVD transferido para o EVA/PET está sendo intensamente explorado e estudado para eletrônicos flexíveis e elásticos, especialmente em sistemas de conformidade de forma, como dispositivos portáteis de colheita de energia, pele eletrônica e dispositivos eletrônicos vestíveis, que precisam de alta flexibilidade e elasticidade. Os semicondutores convencionais não possuem as propriedades mecânicas superiores que o grafeno possui; o que os torna inadequados para tais aplicações – muitas vezes são necessários filmes de grafeno flexíveis altamente condutores que possuem alta mobilidade portadora.
Eletrônica flexível
“Nossa observação aumentará de fato o escopo de filmes de grafeno tão flexíveis neste campo. Isso também poderia inaugurar a nova era da eletrônica flexível. Aplicações que requerem filmes finos altamente condutores agora podem ser realizadas por um método acessível e simples, como proposto em nosso artigo. De fato, em nosso grupo de pesquisa pretendemos usar tais filmes de grafeno para fazer biosensores extremamente sensíveis, detectores de terahertz; e dispositivos de alta frequência, aplicações que também exigem alta mobilidade portadora.
O desafio será integrar técnicas de microfabização para fazer dispositivos em substratos flexíveis. Uma vez que essas questões sejam abordadas, provavelmente dentro de 2-3 anos; podemos começar a utilizar esses filmes de grafeno para fabricar dispositivos para uso industrial”, diz Munis Khan.
Sobre a descoberta
A deposição de vapor químico (DCV) de grafeno em folhas comerciais de cobre (Cu) fornece uma rota escalável para o grafeno de camada única de alta qualidade. O método CVD é baseado em reagentes gasosos que são depositados em um substrato. O mineral é cultivado em uma superfície metálica como, Pt ou Ir, após o qual pode ser separado do metal e transferido para substratos especificamente necessários. O processo pode ser explicado como gases portadores de carbono que reagem a altas temperaturas (900-1100 °C) na presença de um catalisador metálico; que serve tanto como um catalisador para a decomposição da espécie de carbono quanto como uma superfície para a nucleação da rede de grafeno.
Os pesquisadores descobriram que o grafeno CVD uma vez transferido de cobre para EVA/PET (bolsa de laminação comum); por laminação de imprensa quente, inicialmente mostrou baixa mobilidade portadora em uma faixa de 500 a 1000 cm^2/(V s). Mas, uma vez que tais filmes foram mantidos a 60 C por várias horas em um fluxo constante de nitrogênio; a mobilidade aumentou oito vezes e atingiu 6000 – 8000 cm^2/(V s) à temperatura ambiente.
A pesquisa foi feita em parte nas instalações da sala de limpeza MyFab da Chalmers.
Para maiores informações, acesse: WWW.CHALMERS.SE
Autoria do texto: Robert Karlsson
Fotos: Munis Khan