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Materiais em poucas dimensões

terça-feira, 2 ago 2011; \31\America/New_York\America/New_York\k 31 Deixe um comentário

Em Física de altas energias (na verdade altíssimas energias) é comum encontrar alguns modelos ou teorias onde a dimensão do espaço físico (ou espaço-tempo) é alterada.  Em geral, aumentam-se o número de dimensões e compactificam as dimensões extras em diâmetros minúsculos para que só possam ser acessadas somente com os próximos aceleradores de partículas. Se fossem maiores já teríamos visto estas dimensões extras.

Em Nanociência o número de dimensões também pode variar, e ser diferente de três. Mas neste caso a contagem de dimensões é feita no espaço-k. Um material com relações de dispersões em n direções é dito ser n-dimensional (ou nD). Algumas pessoas preferem se referir a estes materiais como quasi-nD, para não confundir com o espaço real nD.

Por exemplo, um cristal 3D é formado pela repetição de uma célula unitária em três dimensões. Como há condições periódicas de contorno, suas propriedades eletrônicas (funções de onda, autoenergias, DOS) serão mapeadas num espaço-k de dimensão 3. Na superfície deste mesmo cristal 3D, uma das condições de periodicidade é perdida, fazendo o espaço-k desta região ser reduzido em uma dimensão também.

Alótropos de carbono de várias dimensões.

Para os alótropos de carbono, entre algumas das estruturas de baixa dimensionalidade (n<3) estão a molécula de Fulereno (0D), nanotubos de carbono (1D), nanofitas de grafeno (1D) e grafeno (2D). As bicamadas (ou multicamadas) de grafeno também são consideradas 2D, já que embora haja átomos de carbono distribuídos espacialmente em três dimensões, só há periodicidade em duas. Isto acaba se refletindo na zona de Brillouin, enquanto multicamadas de grafeno têm zona hexagonal (no plano), o grafite tem um prisma hexagonal. As superfícies (ou hiper-superfícies) da estrutura de bandas também são diferentes nestes dois materiais.

O conceito de dimensionalidade de uma nanoestrutura é simples, mas não é incomum ver algumas pessoas (as vezes até professores) errando isto. Mas pra corrigir isto sempre podemos recorrer ao velho e bom teorema de Bloch.

Revolução do grafeno dá mais um passo

quinta-feira, 30 abr 2009; \18\America/New_York\America/New_York\k 18 1 comentário

Fotografia obtida por microscópico eletrônico de varredura do circuito integrado nanométrico construido a base de grafeno. As barras amarelas são eletrodos de cromo e ouro e sobre a superfície azul ligando os eletrodos há uma fina camada de grafeno.

Fotografia obtida por microscópico eletrônico de varredura do circuito integrado nanométrico construido a base de grafeno. As barras amarelas são eletrodos de cromo e ouro e sobre a superfície azul ligando os eletrodos há uma fina camada de grafeno. Figura do artigo original de R. Sordan et al.

Físicos na Itália desenvolveram o primeiro circuito integrado de grafeno, o relatório foi publicado semana passada no arxiv.

O grafeno é um nanomaterial descoberto em 2004 que consiste em uma folha bidimensional de átomos de carbono de apenas um único átomo de espessura (uma fatia atômica de grafite). Ele difere dos demais materiais semicondutores — que são os materiais com as propriedades eletrônicas adequadas para construção de diodos e transitores — por manter alta mobilidade dos elétrons mesmo quando dopado com alta densidade de impurezas. Isso reflete em uma resistência a corrente elétrica que está entre as mais baixas já encontradas em um material a temperatura e pressão atmosférica, tornando o grafeno uma potencial matéria-prima para construção de circuitos integrados de alta freqüência (acima de GHz) em escalas micrométricas de tamanho, o que pode vir a substituir a presente tecnologia dos semicondutores de silício utilizados nos computadores e eletrônicos modernos. O trabalho do grupo italiano é um passo importante nessa direção porque demonstra que estes circuitos são factíveis. Em 2007, um grupo de Harvard já havia construído o primeiro transistor de grafeno.

Para saber mais:

  1. Fledgling graphene circuit performs basic logic, Physics World.
  2. Graphene na Wikipedia.
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