Tecnologia Científica

A propriedade do grafeno recém-descoberta pode impactar a computação de próxima geração
Os pesquisadores e colegas do MIT descobriram uma importante - e inesperada - propriedade eletrônica do grafeno, um material descoberto apenas cerca de 17 anos atrás que continua a surpreender os cientistas com sua física interessante.
Por Elizabeth A. Thomson - 04/02/2021


Representação artística da estrutura nanoscópica do novo material ferroelétrico desenvolvido por pesquisadores e colegas do MIT. Pontos azuis e dourados representam os átomos de boro e nitreto em duas folhas atomicamente finas de nitreto de boro. Entre essas folhas estão duas camadas de grafeno; os pontos esbranquiçados / azuis representam átomos de carbono. As linhas verticais douradas que percorrem a figura representam o movimento dos elétrons. Crédito: Ella Maru Studio

Os pesquisadores e colegas do MIT descobriram uma importante - e inesperada - propriedade eletrônica do grafeno, um material descoberto apenas cerca de 17 anos atrás que continua a surpreender os cientistas com sua física interessante. O trabalho, que envolve estruturas compostas por camadas atomicamente finas de materiais que também são biocompatíveis, pode inaugurar novos paradigmas de processamento de informações mais rápidos. Uma aplicação potencial é na computação neuromórfica, que visa replicar as células neuronais do corpo responsáveis ​​por tudo, desde o comportamento até as memórias.

O trabalho também apresenta uma nova física que os pesquisadores estão ansiosos para explorar.

"Heteroestruturas baseadas em grafeno continuam a produzir surpresas fascinantes. Nossa observação de ferroeletricidade não convencional neste sistema simples e ultrafino desafia muitas das suposições predominantes sobre sistemas ferroelétricos e pode abrir caminho para uma geração inteira de novos materiais ferroelétricos", diz Pablo Jarillo-Herrero, o Cecil e Ida Green Professor de Física no MIT e líder do trabalho, que envolveu uma colaboração com cinco outros professores do MIT de três departamentos.

Uma nova propriedade

O grafeno é composto de uma única camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos que se assemelham a uma estrutura em favo de mel. Desde a descoberta do material, os cientistas mostraram que diferentes configurações das camadas de grafeno podem dar origem a uma variedade de propriedades importantes. As estruturas baseadas em grafeno podem ser supercondutores, que conduzem eletricidade sem resistência, ou isolantes, que impedem o movimento da eletricidade. Eles até foram encontrados para exibir magnetismo.

No trabalho atual, que foi relatado em dezembro passado na Nature , os pesquisadores e colegas do MIT mostram que o grafeno de duas camadas também pode ser ferroelétrico. Isso significa que cargas positivas e negativas no material podem se separar espontaneamente em diferentes camadas.

Na maioria dos materiais, cargas opostas são atraídas uma pela outra; eles querem combinar. Somente a aplicação de um campo elétrico os forçará a lados opostos, ou pólos. Em um material ferroelétrico, nenhum campo elétrico externo é necessário para manter as cargas separadas, dando origem a uma polarização espontânea. No entanto, a aplicação de um campo elétrico externo tem um efeito: um campo elétrico de direção oposta fará com que as cargas mudem de lado e invertam a polarização.

Por todas essas razões, os materiais ferroelétricos são usados ​​em uma variedade de sistemas eletrônicos, de ultrassons médicos a cartões de identificação por radiofrequência (RFID).
 
Os ferroelétricos convencionais, no entanto, são isolantes. O ferroelétrico da equipe liderada pelo MIT com base em grafeno opera por meio de um mecanismo completamente diferente - física diferente - que permite conduzir eletricidade. E isso abre uma infinidade de aplicativos adicionais. "O que descobrimos aqui é um novo tipo de material ferroelétrico", disse Zhiren (Isaac) Zheng, estudante de pós-graduação em física do MIT e primeiro autor do artigo da Nature.

Qiong Ma, MIT Ph.D. 2016, coautor do artigo e professor assistente do Boston College, coloca o trabalho em perspectiva. "Existem desafios associados aos ferroelétricos convencionais que as pessoas têm trabalhado para superar. Por exemplo, a fase ferroelétrica se torna instável à medida que o dispositivo continua a ser miniaturizado. Com nosso material, alguns desses desafios podem ser resolvidos automaticamente." Ma conduziu o trabalho atual como pós-doutorado no Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) do MIT.

Padrões Importantes

A estrutura que a equipe criou é composta de duas camadas de grafeno - uma camada dupla - imprensada entre camadas atomicamente finas de nitreto de boro (BN) acima e abaixo. Cada camada BN está em um ângulo ligeiramente diferente da outra. Olhando de cima, o resultado é um padrão único chamado superrede moiré. Um padrão moiré, por sua vez, "pode ​​mudar dramaticamente as propriedades de um material", diz Zheng.

O grupo de Jarillo-Herrero demonstrou um importante exemplo disso em 2018. Nesse trabalho, também relatado na Nature , os pesquisadores empilharam duas camadas de grafeno. Essas camadas, no entanto, não estavam exatamente em cima umas das outras; em vez disso, um foi ligeiramente girado em um "ângulo mágico" de 1,1 graus. A estrutura resultante criou um padrão moiré que, por sua vez, permitiu que o grafeno fosse um supercondutor ou um isolante, dependendo do número de elétrons no sistema fornecido por um campo elétrico. Essencialmente, a equipe foi capaz de "ajustar o grafeno para se comportar em dois extremos elétricos", de acordo com uma notícia do MIT na época.

“Então, ao criar essa estrutura moiré, o grafeno não é mais grafeno. Quase que magicamente se transforma em algo muito, muito diferente”, diz Ma.

No trabalho atual, os pesquisadores criaram um padrão moiré com folhas de grafeno e nitreto de boro que resultou em uma nova forma de ferroeletricidade. A física envolvida no movimento dos elétrons através da estrutura é diferente da dos ferroelétricos convencionais.

"A ferroeletricidade demonstrada pelo grupo do MIT é fascinante", diz Philip Kim, professor de Física e Física Aplicada da Universidade de Harvard, que não esteve envolvido na pesquisa.

"Este trabalho é a primeira demonstração que relata ferroeletricidade eletrônica pura, que exibe polarização de carga sem movimento iônico na rede subjacente. Esta descoberta surpreendente certamente convidará a novos estudos que podem revelar fenômenos emergentes mais interessantes e fornecer uma oportunidade de utilizá-los para memória ultrarrápida formulários."

Os pesquisadores pretendem continuar o trabalho não apenas demonstrando o potencial do novo material para uma variedade de aplicações, mas também desenvolvendo um melhor entendimento de sua física . “Ainda existem muitos mistérios que não entendemos totalmente e que são fundamentalmente muito intrigantes”, diz Ma.

 

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