Artigo em destaque: Controlando as propriedades eletrônicas de grafeno sobre carbeto de silício.



O artigo científico de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Graphene on the oxidized SiC surface and the impact of the metal intercalation. J.E.Padilha, R.B.Pontes, F. Crasto de Lima, R. Kagimura, R. H. Miwa. Carbon, Volume 145, April 2019, Pages 603-613.

Controlando as propriedades eletrônicas de grafeno sobre carbeto de silício

Um estudo baseado em simulações realizadas em supercomputadores por uma equipe científica brasileira aponta um caminho para superar o desafio de controlar as propriedades eletrônicas do grafeno. Soluções a esse desafio podem fazer a diferença no desenvolvimento de dispositivos eletrônicos bidimensionais – dimensão na qual o grafeno, rede de átomos de carbono de um átomo de espessura, se destaca pelas suas propriedades.

De fato, o grafeno é um material extremamente resistente, leve, flexível e transparente. Além disso, ele é um excelente condutor do calor e da eletricidade. Contudo, ainda é difícil controlar no grafeno a concentração e o fluxo de cargas elétricas, o que limita seu uso na eletrônica.

Soluções para driblar essa limitação tecnológica do grafeno vêm sendo propostas. Algumas delas se baseiam na inserção de pequenas proporções de átomos metálicos que modulam as propriedades eletrônicas do material sem prejudicar as outras características. O método é semelhante à dopagem do silício, cotidianamente praticada na fabricação de semicondutores para a indústria eletrônica.

Representação do sistema estudado: folha de grafeno sobre substrato de carbeto de silício oxidado com camada de átomos metálicos (no caso, ouro) intercalados.
Representação do sistema estudado: folha de grafeno sobre substrato de carbeto de silício oxidado com camada de átomos metálicos (no caso, ouro) intercalados.

Recentemente reportado no periódico científico Carbon (fator de impacto 7,466), o trabalho da equipe brasileira investigou a estrutura e as propriedades eletrônicas de uma folha de grafeno sobre um substrato de carbeto de silício (SiC) – material frequentemente usado para depositar ou fazer crescer grafeno. Nesse sistema, o grafeno se mantém unido ao substrato sem ligações químicas, por meio de forças de atração fracas e dependentes da distância, chamadas de forças de Van der Waals.

Dado que, na produção de grafeno, a presença de oxigênio costuma oxidar a superfície do carbeto de silício, os cientistas brasileiros incluíram nas simulações uma camada de óxido de silício entre o grafeno e o substrato. Finalmente, com o objetivo de compreender detalhadamente o efeito da inserção de átomos metálicos em materiais desse tipo, os cientistas acrescentaram ao sistema, nas simulações, uma camada de átomos de ouro ou alumínio, embutida na camada de óxido (no caso, Si2O5), na região da interface com o grafeno.

Por meio das simulações, os pesquisadores constataram que a presença da camada metálica modula a concentração dos portadores de cargas positivas (os chamados buracos) e negativas (os elétrons), tanto na folha de grafeno quanto no Si2O5. Além disso, os átomos de ouro e alumínio embutidos no Si2O5, que é semicondutor, induzem a formação de regiões condutoras na superfície dessa camada, nas quais se concentra o excesso de elétrons ou de buracos induzido pela presença do ouro ou do alumínio, respectivamente. Como resultado, formam-se, na superfície do Si2O5, canais condutores pelos quais fluem as cargas.

Esta série de mapas bidimensionais mostra as concentrações de elétrons e buracos na folha de grafeno nos dois sistemas de grafeno sobre a superfície de carbeto de silício terminado em Si [(a) e (c)] e terminado em C [(b) e (d)]; na presença de uma monocamada de alumínio [(a) e (b)] e o outro contendo uma camada de ouro [(c) e (d)].
Esta série de mapas bidimensionais mostra as concentrações de elétrons e buracos na folha de grafeno nos dois sistemas de grafeno sobre a superfície de carbeto de silício terminado em Si [(a) e (c)] e terminado em C [(b) e (d)]; na presença de uma monocamada de alumínio [(a) e (b)] e o outro contendo uma camada de ouro [(c) e (d)].
Finalmente, a equipe comprovou que o efeito da “dopagem” (a mudança na concentração de elétrons e buracos) pode ser potencializado mediante a aplicação de um campo elétrico externo, perpendicular à interface entre o grafeno e o substrato.

A partir dessas evidências, que foram obtidas, principalmente, por meio de simulações computacionais baseadas na Teoria do Funcional da Densidade, o trabalho sugere um caminho para controlar a concentração e o fluxo de cargas elétricas em folhas de grafeno sobre substratos de carbeto de silício. O estudo também mostra que o sistema estudado (folha de grafeno sobre carbeto de silício oxidado com camada metálica intercalada) pode ser uma boa plataforma para fazer engenharia de propriedades eletrônicas.

“A principal contribuição do trabalho é mostrar uma forma eficiente de controlar as propriedades eletrônicas do grafeno sobre uma superfície sólida recoberta com uma camada metálica, mediante a aplicação de um campo elétrico externo”, diz o professor Roberto Hiroki Miwa (Universidade Federal de Uberlândia, UFU), autor correspondente do artigo da Carbon. “Mostramos que, além de controlar o nível de dopagem do grafeno, o que é fundamental para desenvolvimento de dispositivos eletrônicos em sistemas bidimensionais (2D), a presença da monocamada metálica permite a formação de canais condutores na superfície do carbeto de silício”, completa. De acordo com Miwa, o estudo pode contribuir para o desenvolvimento de sensores, transistores e outros dispositivos eletrônicos mais rápidos e precisos quanto ao transporte de carga e a emissão de sinais.

O início do trabalho foi motivado pelo interesse dos professores da UFU Roberto Hiroki Miwa e Ricardo Kagimura em entender as interfaces grafeno/óxidos no nível atômico. O foco do estudo foi amadurecendo conforme os autores se aprofundavam na literatura científica. À medida que o volume e complexidade dos cálculos foram aumentando, a dupla envolveu novos colaboradores: um estudante do doutorado em Física da UFU (Felipe David Crasto de Lima) e professores de outras instituições (José Eduardo Padilha de Sousa, da Universidade Federal do Paraná – campus Jandaia do Sul, e Renato Borges Pontes, da Universidade Federal de Goiás).

Os autores do artigo. A partir da esquerda: J. E. Padilha, R. B. Pontes, F. Crasto de Lima, R. Kagimura, R. H. Miwa.
Os autores do artigo. A partir da esquerda: J. E. Padilha, R. B. Pontes, F. Crasto de Lima, R. Kagimura, R. H. Miwa.

Para realizar os cálculos que embasam as simulações, os autores utilizaram recursos computacionais do Centro Nacional de Processamento de Alto Desempenho em São Paulo (CENAPD) e do supercomputador SDumont do Laboratório Nacional de Computação Científica (LNCC). O trabalho contou com financiamento das agências federais CNPq e CAPES e da estadual FAPEMIG (Minas Gerais).


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