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Grafeno além da nanoeletrônica

quinta-feira, 17 mar 2011; \11\UTC\UTC\k 11 Deixe um comentário Go to comments

Acho que todos os leitores deste blog sabem que o isolamento de monocamadas de grafeno foi o motivo do André Geim e Kostya Novoselov terem recebido o prêmio Nobel de Física do ano passado (2010). Os comentários em jornais e alguns outros meios de divulgação tratavam o grafeno apenas como um “novo material para nanoeletrônica”. Na verdade ele é muito mais que isso, este material trouxe várias novidades que nem todos os físicos sabem. Algumas (poucas) dessas novidades estão listadas abaixo:

Isolamento de um cristal 2D estável. Há um teorema de autoria do Peierls e do Landau que cristais 2D são instáveis termodinamicamente, isto é, qualquer oscilação de energia colapsaria o cristal em uma outra estrutura. No caso do grafeno essas estruturas poderiam ser nanotubos, nanorolos ou alguma outra coisa semelhante. Entretanto, em 2004 Geim e Novoselov isolaram pela primeira vez uma única camada de grafeno. Baseando-se no grafeno, pouco tempo depois vários outros cristais 2D também foram criados como monocamadas de BN (nitreto de boro) ou monocamadas de molibdenita. Neste caso o grafeno abriu as portas para os materiais 2D.

Propriedades mecânicas do grafeno. O grafeno é um dos materiais mais “fortes” e rígidos que conhecemos. O nanotubo de carbono também é um desses materiais mais fortes conhecidos, e isso é devido a ele ser uma camada “enrolada” de grafeno, pictoricamente falando. Além da eletrônica, o grafeno também pode ser útil na Engenharia Civil. Aqui no Brasil mesmo (na UFMG) há pesquisas de cimento “fortalecido” com nanotubos de carbono. Este tipo de material deve chegar ao mercado em alguns anos.

Estrutura eletrônica do grafeno. A banda do grafeno apresenta uma relação de dispersão linear em torno do nível de Fermi, isso faz com que as quasipartículas (elétrons e buracos) se comportem como férmions de Dirac sem massa (férmions de Weyl). Isto trás algumas conseqüências como paradoxo de Klein e ausência de espalhamento reverso. Por paradoxo de Klein chamamos o tunelamento de barreiras com probabilidade 1 (100%), este fenômeno já era conhecido em mecânica quântica relativística, mas não em sistema de estado sólido. A ausência de espalhamento reverso é responsável pelo aumento de mobilidade eletrônica em algumas ordens de grandeza, que é um dos grandes interesse da nanoeletrônica.

Pseudospin e índice de vale. Além da carga elétrica e do spin, os elétrons e buracos no grafeno são caracterizados por mais dois números quânticos: o pseudospin e o índice de vale. Ambas propriedades apresentam estrutura SU(2) como o spin e podem ser manipulados como o spin é manipulado na spintrônica. Isto levou a criação da Pseudospintrônica e da Valetrônica. O pseudospin é um grau de liberdade relacionado as subredes do grafeno no espaço real,  enquanto que o índice de vale está relacionado com os pontos K e K’ no espaço recíproco. Algumas propostas de dispositivos pseudospintrônicos e valetrônicos podem ser encontrados na literatura.

Efeito Hall quântico. Quando um campo magnético intenso é aplicado perpendicular à camada de grafeno é possível de observar o efeito Hall quântico (EFQ) do material. O EFQ já é conhecido em alguns outros sistemas, mas no grafeno ele aparece de forma especial. Enquanto que nas hetero-estruturas semicondutoras este efeito só aparece em baixíssimas temperaturas (ordem de milikelvins), no grafeno este efeito surge em temperatura ambiente. Além disso, em bicamadas de grafeno também é previsto efeito Hall quântico fracionário e superfluidez de elétrons em temperatura ambiente. Há quem diga que até supercondutividade em temperatura ambiente pode surgir em sistemas baseados em grafeno.

Gap ajustável em bicamadas de grafeno. A aplicação de um campo elétrico perpendicular à bicamada de grafeno faz com que surja um gap de energia na estrutura de banda que é ajustável com a intensidade do campo. Em geral, gaps de energias em materiais semicondutores dependem exclusivamente do material e não de potenciais externo ao sistema. As bicamadas de grafeno apareceram para mudar isso.

Teorias de calibre para corrugações. O grafeno observado em laboratório não é totalmente plano, existem algumas “corrugações” nestes materiais que são responsáveis pela estabilidade desse cristal 2D, como pode ser visto na (Fig. 1). O efeito destas corrugações (curvaturas) no grafeno é explicado por modelos efetivos baseados em teorias de calibre, as corrugações criam um campo efetivo que mantém o material estável.

Fig. 1. Corrugações no grafeno.

Grafeno na medicina. Atualmente o grafeno está sendo estudado até em medicina para o tratamento de câncer, como pode ser visto em “Graphene in Mice: Ultrahigh In Vivo Tumor Uptake and Effecient Photothemal therapy“.

Além disso tudo, o grafeno apresenta também longo comprimento de relaxação de spin, o que o tornaria um bom material para spintrônica; e nanofitas de grafeno apresentam estados de borda com propriedades de isolantes topológicos, que também poderiam ser úteis para a spintrônica.

É claro que esta lista não está completa, vários outros fenômenos também podem ser observado no grafeno, vários outros ainda devem ser descobertos, mas nem tudo cabe num único post de um blog, talvez eles sejam mencionados numa outra oportunidade.

  1. quinta-feira, 17 mar 2011; \11\UTC\UTC\k 11 às 16:43:15 EST

    Leandro,

    Mas ai como fica o tal resultado do Landau e Peierls que você citou? O caso do grafeno é uma contra-prova do resultado?

  2. Leandro Seixas Rocha
    quinta-feira, 17 mar 2011; \11\UTC\UTC\k 11 às 21:08:55 EST

    Na verdade não é uma contra-prova, já que teorema é teorema e não uma sugestão. Devido a presença de ondulações o grafeno não pode ser considerando como totalmente plano, as vezes dizemos que ele é “quasi-2D” por causa disso. Isso faz com que o grafeno “se esquive” deste teorema, que é válido para o caso estritamente bidimensional.

  1. quarta-feira, 11 maio 2011; \19\UTC\UTC\k 19 às 18:48:14 EST
  2. domingo, 15 maio 2011; \19\UTC\UTC\k 19 às 21:13:38 EST

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