Aproveitando Materiais 2D Torcidos para Revolucionar a Eletrônica

Nanotecnologia refere-se à manipulação da matéria na escala de poucos nanômetros (nm). Para contextualizar, uma folha de papel tem aproximadamente 100.000 nm de espessura. Ao dominar os fenômenos únicos que emergem nessa escala, cientistas podem desenvolver dispositivos menores, mais rápidos e mais eficientes energeticamente.

Na IBM Research, e com apoio de parceiros governamentais, pesquisadores estão sondando a nanoescala para aumentar a densidade de potência e eficiência energética em todo o espectro da eletrônica — de smartphones e sensores IoT aos enormes data centers em nuvem que alimentam a internet.

Figura 1: Um dispositivo em forma de chave na nanoescala que pode ser rotacionado 0°–360°, funcionando como uma chave para controlar a corrente em um transistor de efeito de campo de tunelamento (TFET).

Um esforço pioneiro é liderado pelo Dr. Elad Koren do laboratório de Zurique da IBM. Financiado pelo programa Ambizione da Fundação Nacional Suíça de Ciência, a equipe investiga a física fundamental do empilhamento de materiais bidimensionais (2D), com foco particular no grafeno.

As propriedades eletrônicas excepcionais do grafeno o tornam um líder para futuros dispositivos semicondutores e quânticos. Quando duas camadas idênticas de grafeno são empilhadas em ângulos relativos precisos, elas formam super-redes periódicas que podem abrir uma lacuna de banda — passo essencial para criar transistores de próxima geração que sejam potentes e energeticamente eficientes.

Em setembro de 2016, Koren e colegas publicaram seus primeiros resultados no periódico revisado por pares Nature Nanotechnology. Usando a ponta de um microscópio de força atômica, alcançaram controle sub-grau sobre o alinhamento rotacional das camadas, produzindo o dispositivo em forma de chave mostrado na Figura 1.

O dispositivo pode girar 360°, atuando como um interruptor ultrapreciso para um TFET. Essa capacidade é crítica para minimizar correntes de fuga e reduzir o consumo energético geral de circuitos eletrônicos.

"Alcançamos precisão sem precedentes no controle da configuração rotacional com resolução angular melhor que 0,1°, permitindo tanto estudos fundamentais quanto a realização de dispositivos práticos", disse Koren.

Corrente medida através da nanoestrutura de grafite torcido em bias de 50 mV enquanto rotaciona continuamente o braço de alavanca. Inseto: representação no espaço de momento do acoplamento de grafeno bicamada em ângulos de torção comensuráveis de 21,8° e 38,2°.

O controle preciso sobre o ângulo de empilhamento permite que engenheiros adaptem uma ampla gama de propriedades físicas — eletrônicas, ópticas, termoelétricas e eletromecânicas — abrindo caminhos para materiais inovadores em ciência e tecnologia.

Quando uma única célula cristalina é torcida, gera um alto fluxo magnético que dá origem à borboleta de Hofstadter — um padrão teórico que descreve o comportamento de elétrons em campos magnéticos fortes combinados com potenciais periódicos.

O atrito permanece um desafio mesmo na nanoescala, onde pode gerar calor, desgaste e perda de energia. No entanto, o desalinhamento rotacional em sistemas 2D em camadas suprime dramaticamente o atrito, fenômeno conhecido como superlubrificidade.

"Praticamente não há atrito — uma vez que você encontra o ângulo certo, as camadas deslizam suavemente", explicou Koren.

Ao compartilhar essas descobertas com a comunidade de pesquisa em geral, Koren espera inspirar conceitos inovadores de materiais e dispositivos que moldarão o futuro da eletrônica.