Grafeno Permite Posicionamento Preciso de Nanomateriais para Integração de Dispositivos em Escala Industrial

Nanomateriais entregam características ópticas e elétricas inigualáveis e prometem integração bottom-up na fabricação semicondutora mainstream. No entanto, deposição precisa e livre de contaminação em locais designados do chip permanece um obstáculo formidável. Grafeno — excepcionalmente fino, robusto, flexível e altamente condutivo — oferece uma solução transformadora.

No grupo de Tecnologia Industrial e Ciência da IBM Research-Brasil, desenvolvemos, aplicamos e escalamos nanomateriais — partículas de um milionésimo de milímetro — para uso em produção em massa. Três décadas atrás, observar e manipular átomos únicos era impossível; técnicas modernas agora nos permitem sondar e modelar comportamento na nanoescala.

Em nosso novo artigo, "Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration", publicado na Nature Communications, nós e nossos colaboradores acadêmicos provamos pela primeira vez que é possível eletrificar grafeno para que ele deposite material em qualquer local desejado em uma superfície sólida com rendimento quase perfeito de 97%.

Usar grafeno desta forma permite integração de nanomateriais em escala de wafer com precisão de nanômetro. Não apenas podemos depositar material em uma localização nanoespecífica, também demonstramos que isso pode ser realizado em paralelo em múltiplos locais — permitindo integração em massa. Este trabalho foi patenteado (US9412815B2).

Renderização artística de colocação assistida por campo elétrico de materiais na nanoescala entre pares de eletrodos de grafeno opostos estruturados em uma grande camada de grafeno localizada sobre um substrato sólido. Quantum dots (vermelho), nanotubos de carbono (cinza), e nanofolhas de dissulfeto de molibdênio (branco/cinza) são mostrados como nanomateriais 0D, 1D e 2D representativos que podem ser montados em larga escala baseados no método de colocação assistida por campo elétrico baseado em grafeno.

O grafeno é o material condutivo mais fino que pode suportar campos elétricos. Aproveitamos esses campos para guiar nanomateriais sobre uma folha de grafeno: a forma e padrão engenheirados do eletrodo de grafeno ditam a colocação final. Isso entrega precisão sem precedentes para construção de nanomateriais. Métodos tradicionais dependem de metais como cobre, mas o cobre não pode ser removido limpidamente após a montagem, comprometendo desempenho ou destruindo o nanomaterial. O grafeno oferece tanto precisão quanto remoção fácil.

O método funciona independentemente da geometria do nanomaterial — quantum dots, nanotubos de carbono, nanofolhas bidimensionais, etc. Fabricamos transistores funcionais e avaliamos seu desempenho. Além da eletrônica, a técnica pode ser aplicada a manipulação e aprisionamento de partículas em microfluídica lab-on-chip (US20170292934A1).

Avanços em posicionamento de nanomateriais baseados em grafeno poderiam viabilizar células solares de próxima geração, processadores mais rápidos para smartphones e tablets, e dispositivos quânticos como emissores ou detectores quânticos de luz on-chip controlados eletricamente. Tais dispositivos podem emitir ou detectar fótons únicos, essenciais para comunicação quântica segura.

Evidências de nossa pesquisa indicam que o grafeno pode integrar nanomateriais de formas que materiais padrão não podem, pavimentando o caminho para manufatura de eletrônicos em escala industrial — objetivo da ambiciosa iniciativa Graphene Flagship. Ao fazer parceria com a indústria, visamos acelerar geração de conhecimento, desenvolvimento tecnológico e adoção deste método de integração bottom-up.

Graphene‑enabled and directed nanomaterial placement from solution for large‑scale device integration. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-06604-4.