Durante a última década ou mais, o grafeno semimetal atraiu um interesse substancial entre engenheiros eletrônicos devido às suas muitas qualidades e características vantajosas. Na verdade, sua alta mobilidade de elétrons, flexibilidade e estabilidade tornam-no particularmente desejável para o desenvolvimento de eletrônicos de última geração.
Apesar de suas propriedades vantajosas, o grafeno de grande área tem um intervalo de banda zero (ou seja, a faixa de energia em materiais sólidos em que nenhum estado eletrônico pode existir). Isso significa que a corrente elétrica no grafeno não pode ser completamente desligada. Essa característica o torna inadequado para o desenvolvimento de muitos dispositivos eletrônicos.
Pesquisadores da Universidade Tsinghua, na China, desenvolveram recentemente uma estratégia de design que poderia ser usada para atingir um bandgap maior no grafeno. Essa estratégia, apresentada em um artigo publicado na Nature Electronics, envolve o uso de um campo elétrico para controlar as transições condutor-isolante em grafeno em microescala.
“Desde sua descoberta em 2004, o grafeno atraiu uma tremenda atenção, devido à sua espessura de camada atômica única e férmions Dirac de alta mobilidade”, disse Jinsong Zhang, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Tech Xplore. “Devido a essas características, o grafeno pode encontrar aplicações promissoras na eletrônica de próxima geração, especialmente quando a taxa de melhoria na densidade e desempenho da eletrônica à base de silício está se aproximando do limite por meio da escala dimensional. No entanto, o grafeno de grande área é um semimetal com zero bandgap. ”
A relação de corrente liga / desliga dos transistores de efeito de campo (FETs) convencionais baseados em grafeno é de aproximadamente 30 em temperatura ambiente, o que é muito baixo para aplicações de dispositivos lógicos. Para mudar a estrutura da banda do grafeno e estender seu gap, Zhang e seus colegas desencadearam uma reação de hidrogenação, uma reação eletroquímica que muda reversivelmente o grafeno puro em grafeno hidrogenado altamente isolante com uma grande lacuna de transporte.
“Nossos FETs de grafeno eletroquímico podem ser ligados / desligados ciclicamente sob o controle de tensões de porta aplicadas, o que demonstra um novo roteiro para a aplicação futura de eletrônicos baseados em grafeno”, disse Zhang.
Os canais de grafeno nos FETs eletroquímicos desenvolvidos pelos pesquisadores foram imersos em um eletrólito líquido orgânico com íons de hidrogênio dissociativos (H +). Quando os pesquisadores aplicaram uma tensão de porta positiva (VG) entre o eletrodo de porta (folha de Pt) e o grafeno, o campo elétrico fez com que íons H + se acumulassem na superfície superior dos FETs.
“Quando o VG é maior do que o potencial de hidrogenação, a rede de grafeno torna-se altamente ativada e isso desencadeia a ligação química entre íons H + e átomos de C, o que muda a hibridização das ligações CC de sp2 para sp3, abrindo um enorme bandgap na estrutura eletrônica “, Explicou Zhang.
A principal vantagem dos FETs baseados em grafeno desenvolvidos por esta equipe de pesquisadores é que eles usam campos elétricos altamente versáteis para controlar as reações de hidrogenação reversíveis e mudar a corrente da fonte de drenagem. Além disso, Zhang e seus colegas introduziram um novo eletrólito de íon de hidrogênio que contém mais íons H + dissociativos, que também são mais reativos ao grafeno em comparação com eletrólitos resultantes da hidrólise de água residual em líquido iônico ou em ar úmido.
“Usando o controle de campo elétrico, demonstramos a transição condutor-isolante em grafeno em microescala até um milhão de ciclos de comutação”, disse Zhang. “A resistência da folha de grafeno totalmente hidrogenado mostra um limite inferior de 200 GW / sq, levando a uma proporção de corrente liga / desliga gigante maior do que 108 nos FETs de grafeno em temperatura ambiente.”
Zhang e seus colegas descobriram que os FETs de grafeno eletroquímico que eles criaram superaram significativamente os dispositivos similares fabricados no passado e exibiram uma melhor relação liga / desliga, resistência ao ciclismo e tempo de troca. Seu trabalho pode informar o desenvolvimento de novas técnicas eletrônicas baseadas em grafeno e técnicas de hidrogenação induzida por campo elétrico para sintonizar reversivelmente a ligação atômica e as estruturas de banda de diferentes cristais 2D.
Este estudo recente pode inspirar outros pesquisadores a usar estratégias semelhantes para buscar e identificar novos materiais com características desejáveis. O tempo de resposta dos FETs à base de grafeno fabricados por esses pesquisadores está atualmente na escala de microssegundos. Em seus próximos estudos, no entanto, Zhang e seus colegas gostariam de reduzir esse tempo de resposta, para que seus dispositivos pudessem ser usados em uma gama mais ampla de aplicações.
“No futuro, vamos nos concentrar em melhorar o tempo de resposta otimizando as configurações do dispositivo, como diminuir a distância entre a porta e o eletrodo de origem, estreitar a largura do canal de grafeno e encontrar um eletrólito melhor com maior condutividade de íons H +”, Zhang disse. “Para tornar nossos dispositivos mais úteis no circuito de grafeno integrado, desenvolveremos eletrólitos sólidos (ou semelhantes a gel) com alta condutividade de íons H + e, eventualmente, reduziremos o tamanho de nossos dispositivos para micrômetros.”
Publicado em 16/04/2021 00h57
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