Usando ângulos para melhorar o futuro da eletrônica

Nanotecnologia é um termo aplicado a uma variedade de campos, desde roupas e tintas automotivas a equipamentos esportivos e eletrônicos. No final, tudo se refere a um tamanho, o nanômetro (nm), e à capacidade da humanidade de compreender, controlar e manipular os fenômenos únicos que ocorrem nesta dimensão. Para uma perspectiva, uma folha de papel tem cerca de 100.000 nm de espessura. (clique para obter uma linha do tempo interativa da nanotecnologia IBM)

Na IBM Research e, em alguns projetos, com o apoio de financiamento do governo, os cientistas estão explorando a nanoescala para melhorar a densidade e a eficiência energética dos dispositivos eletrônicos, incluindo tudo, desde telefones celulares a sensores IoT e centros de dados em nuvem gigantes.

Fig 1 :O dispositivo em forma de chave de tamanho nano pode ser girado como mãos em uma fechadura de 0 a 360 graus, que poderia ser usado como um interruptor para ligar e desligar a corrente de um transistor de efeito de campo de túnel.

Um desses projetos está sendo liderado pelo cientista Elad Koren, do laboratório da IBM em Zurique. No projeto, que é financiado pelo programa Ambizione da Swiss National Science Foundation (SNSF), a equipe está focada na compreensão da física básica do empilhamento de materiais 2D, incluindo o grafeno atualmente popular.

Embora haja muito entusiasmo em torno do grafeno, ele é considerado um dos materiais mais promissores para futuros dispositivos eletrônicos semicondutores e quânticos devido às suas propriedades eletrônicas superiores. Ele também exibe ricas propriedades físicas dependendo de como é empilhado em cima de outro cristal 2D, e é aqui que fica realmente interessante e um pouco complicado.

Quando as duas camadas empilhadas são feitas do mesmo material, como o grafeno, um conjunto especial de superredes 2D periódicas emergirá em ângulos específicos. Essa incompatibilidade também pode induzir um gap em sistemas de grafeno de dupla camada, produzindo um dos primeiros passos para a construção de dispositivos do tipo transistor para dispositivos eletrônicos de próxima geração que são mais poderosos, mas eficientes em termos de energia.

Koren e seus colegas publicaram seus resultados iniciais na edição de setembro de 2016 do periódico de revisão por pares Nature Nanotechnology . No artigo, a equipe demonstrou como, usando a ponta afiada de um microscópio de força atômica, eles podem controlar com precisão o que parece ser uma chave de casa comum (Fig. 1).

O dispositivo em formato de chave nanométrico pode ser girado como mãos em uma fechadura de 0 a 360 graus, o que poderia ser usado como um interruptor para ligar e desligar a corrente de um transistor de efeito de campo de túnel (TFET), um passo importante em reduzindo o vazamento de energia em dispositivos eletrônicos.

“Alcançamos uma precisão sem precedentes no controle da configuração rotacional com uma resolução angular - melhor do que 0,1 grau. Isso nos permite explorar a natureza fundamental da pilha e realizar todo o seu potencial ”, disse Koren.

Corrente medida fluindo através da nanoestrutura de grafite torcida em um potencial de polarização de V =50 mV enquanto gira continuamente o braço de alavanca. Inserção:representação espaço-momento do acoplamento de grafeno de duas camadas em ângulos de torção comensuráveis ​​θ =21,8 ° e 38,2 °.

A capacidade de controlar a configuração de empilhamento com alta precisão angular permite controlar e projetar muitas propriedades físicas e realizar novos materiais novos em vários campos da ciência e da tecnologia, tais como:eletrônica, óptica, termoelétrica e eletromecânica.

O dispositivo também permite um alto fluxo magnético dentro de uma única célula de cristal que produz a famosa borboleta de Hofstadter, o comportamento teorizado de elétrons sob um forte campo magnético e um potencial periódico.

As leis da fricção não escapam ao regime nano e mesmo nesta pequena escala a fricção torna-se um desafio para o dispositivo em forma de chave e como sabemos, a fricção causa calor, desgaste e dissipa energia - uma propriedade infeliz nesta escala.

Incrivelmente, a incompatibilidade rotacional em sistemas em camadas 2D suprime fortemente o atrito e a dissipação de energia, um efeito conhecido como superlubricidade.

“Praticamente não há atrito. É simplesmente baseado em encontrar o ângulo certo ”, acrescenta Koren.

Koren espera que, ao compartilhar sua pesquisa com outras pessoas da área, isso desperte novos materiais e designs de dispositivos.