Article 9 sexies (nouveau)
II. – RESSOURCES AFFECTÉES
Corrente
Corrente
Dreno
Fonte
Semicondutor
(Silicio)
Eletrons
MOSFET
Figura 1.1: Esbo¸co esquem´atico de um MOSFET (transistor de efeito de campo na forma metal ´oxido
semicondutor). Pela aplica¸c˜ao de um campo el´etrico no terminal da Porta, obtemos uma corrente el´etrica atrav´es do Canal, entre os terminais de Dreno e da Fonte. Figura obtida da referˆencia [4].
Paralelamente a isso, muitas alternativas s˜ao estudadas atualmente como poss´ıveis su- cessoras da tecnologia atual. Uma tem chamado muita aten¸c˜ao, n˜ao s´o pela melhoria das propri- edades dos dispositivos, mas pela possibilidade de poder ser integrada em um chip, utilizando as t´ecnicas industriais de litografia empregadas para o Si. Esta alternativa utiliza o grafeno como base para a constru¸c˜ao dos dispositivos.
Denomina-se grafeno uma das camadas do grafite. Trata-se de uma folha de ´atomos de carbono, arranjados numa rede hexagonal, tipo favo–de–mel (honeycomb). O grafeno foi estudado j´a na primeira metade do s´eculo XX, mas foi observado experimentalmente em 2004 por Geim e Novolesov [5]. Na figura 5.14 observamos uma visualiza¸c˜ao de uma folha de grafeno obtida por microscopia de for¸ca atˆomica [6]. A folha est´a sobre um menisco de ´agua, podendo-se ver dobras sobre si mesma nas bordas. Esta folha foi isolada atrav´es da esfolia¸c˜ao de uma amostra de grafite utilizando fita adesiva. Neste processo tamb´em ´e comum obter-se multicamadas de grafeno. Tamb´em foi usada a t´ecnica de riscar grafite sobre um substrato de ´Oxido de Sil´ıcio [6]. At´e ent˜ao havia pouco esfor¸co em se tentar obter uma folha constitu´ıda por um ´unico plano de ´atomos. Segundo Landau, uma folha atˆomica perfeitamente plana ´e termodinamicamente inst´avel, id´eia que foi revisitada por Mermin [7–9]. Ocorre que o grafeno n˜ao ´e perfeitamente plano, sendo sua estabilidade devida a flutua¸c˜oes t´ermicas [10]. As propriedades eletrˆonicas do grafeno s˜ao de particular interesse. Sua estrutura de bandas apresenta dispers˜ao linear dos n´ıveis
Figura 1.2: Imagem via microscopia de for¸ca atˆomica de uma folha de grafeno obtida pela referˆencia [6].
A barra de escala mede 1 µm.
π/π∗ pr´oximos ao ponto de Fermi [11], o que foi primeiro descrito por Wallace em 1947 [12]. Os portadores de carga no grafeno apresentam grande mobilidade, sendo esta fracamente dependente da temperatura, limitada apenas via espalhamento por impurezas. O transporte dos portadores de carga se mant´em bal´ıstico em escala microm´etrica mesmo sob dopagem qu´ımica e `a temperatura ambiente [10,13]. Devido ´as propriedades de transporte do grafeno, este despertou grande interesse para aplica¸c˜oes em eletrˆonica e spintrˆonica. Entretanto, para o uso do grafeno em um circuito, ou a sua implementa¸c˜ao como uma porta l´ogica, ´e necess´ario cortar-se a folha. Ocorre, que quando a folha “infinita” de grafeno ´e cortada, um novo sistema surge, com novas propriedades. ´E a nanofita de grafeno (GN R, do inglˆes) [14]. Dependendo da dire¸c˜ao de corte do grafeno podemos obter uma nanofita com as bordas em formato zigzag ou em formato de bra¸co de cadeira (armchair), ou ainda uma mistura dos dois tipos de bordas [15]. Estas fitas seguem uma nomenclatura estabelecida [16]. At´e o momento n˜ao existe uma maneira experimental exata de se obter uma GN R armchair ou zigzag [17,18]. As liga¸c˜oes pendentes nas bordas das nanofitas podem ser saturadas com ´atomos de hidrogˆenio, utilizando o mesmo processo usado para satura¸c˜ao de nanofios de Si [17]. Por este modo obt´em-se GN Rs com bordas saturadas com um ´atomo de hidrogˆenio para cada liga¸c˜ao σ1 pendente, restando pendente a liga¸c˜ao π 1Em uma liga¸c˜ao σ os orbitais que participam da liga¸c˜ao entre os carbonos est˜ao orientados em paralelo
com o eixo entre os dois ´atomos, de spins opostos, que participam da liga¸c˜ao. Na liga¸c˜ao π os orbitais que participam da liga¸c˜ao s˜ao ortogonais ao eixo que passa entre os dois ´atomos, de spins opostos, que
para os ´atomos de carbono somente na borda da nanofita zigzag. Como resultado, a nanofita
armchair ´e menos reativa quimicamente que a nanofita zigzag.
Na forma¸c˜ao da nanofita zigzag ocorre a quebra de uma liga¸c˜ao σ e uma liga¸c˜ao π entre os carbonos do grafeno. Estes orbitais π/π∗ existentes nas bordas da nanofita zigzag propiciam
o surgimento de estados localizados junto ao n´ıvel de Fermi, denominados estados de borda. A grande densidade de estados no n´ıvel de Fermi, advinda destes estados localizados, propicia uma instabilidade ao sistema, que ´e removida via polariza¸c˜ao de spin das nanofitas zigzag. Existem dois estados est´aveis para esta polariza¸c˜ao, o estado Ferro–F e o Ferro–A [19]. Denomina- se Ferro–F o estado da GN R que apresenta a mesma polariza¸c˜ao do momento magn´etico de
spin dos ´atomos de carbono localizados nas bordas opostas da GN R e alinhamento paralelo
entre os carbonos em uma mesma borda. Sendo nanofitas Ferro–A apresentam os ´atomos de carbono em bordas opostas com ordenamento antiparalelo dos momentos magn´eticos de spin e alinhamento paralelo entre os carbonos em uma mesma borda. Existem diferen¸cas marcantes entre as propriedades destes dois estados da nanofita zigzag. Dentre elas destacamos que a nanofita Ferro–A ´e semicondutora e apresenta bandas de energia idˆenticas para os spins σ =↑, ↓. J´a a nanofita Ferro–F ´e met´alica e apresenta bandas de energia para os spins σ =↑, ↓ n˜ao coincidentes. A ordem decrescente em estabilidade energ´etica ´e dada por Ferro–A > Ferro–F
> n˜ao polarizada [19, 20]. A existˆencia de defeitos ou dopantes (impurezas), sobre as bordas
das nanofitas zigzags reduzem o momento magn´etico das bordas das nanofitas. Estes defeitos quebram a simetria da borda, destruindo os estados de bordas localizados junto ao n´ıvel de Fermi nestes sistemas [21]. J´a a nanofita com borda tipo armchair n˜ao apresenta estado magn´etico e ´e semicondutora [22]. Entretanto o formato da borda de uma nanofita ´e de dif´ıcil controle experimental e resultados experimentais indicam a existˆencia de um gap de energia mesmo em nanofitas muito largas [23].
Todas estas propriedades do grafeno e das nanofitas de grafeno despertaram muito inte- resse nestes novos materiais. Para algumas aplica¸c˜oes eles podem substituir o Si como base da ind´ustria eletrˆonica e superar o limite imposto pela lei de Moore, j´a que o transporte bal´ıstico de el´etrons requer (no m´aximo) uma tens˜ao pr´oxima de zero para a opera¸c˜ao do dispositivo. As- sim, a barreira isolante no F ET pode ser m´ınima e o tamanho do gate extremamente reduzido. Al´em disto, existe a possibilidade de reduzir o gasto energ´etico e assim os efeitos de dissipa¸c˜ao t´ermica. Tamb´em, o uso de diel´etricos de alto k n˜ao reduz a mobilidade dos el´etrons no grafeno, oposto do que se verifica com o Si [24, 25].
formam a liga¸c˜ao. ´E comum encontrar nota¸c˜oes que reportam o conjunto de uma liga¸c˜ao σ e uma liga¸c˜ao
Outra grande vantagem ´e que uma amostra de grafeno pode ser litografada de modo semelhante ao j´a empregado atualmente. Assim, os processos industriais atuais podem ser mantidos para este novo material. Para isto ´e necess´ario construir amostras de grafeno com um tamanho m´ınimo para comportar um chip, e que possam ser reproduzidas em escala industrial. Neste aspecto tamb´em existem avan¸cos recentes, um deles ´e a t´ecnica de crescer filmes de grafeno sobre superf´ıcies met´alicas, onde se destaca o crescimento de grafeno sobre uma superf´ıcie de Ni [26] e Cu [27].
Podemos ver um circuito eletrˆonico constitu´ıdo de grafeno obtido com esta t´ecnica, utili- zando superf´ıcie de Ni na figura 1.3 (a) e utilizando superf´ıcie de Cu na figura 1.3 (b). Tamb´em,
(b)
(a)
Figura 1.3: (a) Imagem de um chip constru´ıdo com grafeno. O dispositivo est´a anexado a um pol´ımero
transparente e o conjunto ´e flex´ıvel e transl´ucido. Esta imagem foi obtida da referˆencia [26]. (b) Painel de toque flex´ıvel, constitu´ıdo por grafeno e um pol´ımero base. Imagem obtida da referˆencia [27].
a t´ecnica de obter grafeno por meio do aquecimento de um cristal de SiC fornece amostras de grafeno compat´ıveis para a constru¸c˜ao de dispositivos [24, 28–31]. A figura 1.4 apresenta uma circu´ıto integrado constru´ıdo utilizando esta t´ecnica. Note que a t´ecnica fornece um circu´ıto em uma bolacha de grafeno.
O grafeno e as GN Rs constituem um campo muito promissor para a spintrˆonica. Estes materiais s˜ao ideais para manter circulando correntes com polariza¸c˜ao de spin. Entretanto, se estes materiais s˜ao ´otimos para manter uma corrente spin polarizada, existe ainda a dificuldade inicial em formar uma corrente com polariza¸c˜ao de spin. Para isto ´e preciso um elemento que