Cientistas inovam ao incorporar carvão na eletrônica, criando dispositivos para a próxima geração com vantagens surpreendentes.

O carbono, a base da vida na Terra, está ganhando destaque no mundo da eletrônica. Um exemplo disso é o grafeno, uma folha composta por uma única camada de átomos de carbono, e o grafite, um aglomerado infinito de folhas de grafeno, que pode explicar muitos dos comportamentos desse material. Suas folhas facilmente deslizantes explicam como o grafite do lápis se espalha suavemente no papel e sua função como um excelente lubrificante. Agora, pesquisadores estão explorando o uso do carvão na eletrônica para criar dispositivos futuristas.

Entenda como atua o carvão na eletrônica e sua importância

O carvão, apesar de ser igualmente formado principalmente por carbono, é algo totalmente diferente. Este material é uma massa disforme de carbono sem nenhuma estrutura e repleta de outros elementos contaminantes.

Para se ter uma noção, basta lembrar que carvão e grafite são espécies mineralogicamente diferentes. É possível até fazer grafite de carvão, entretanto, o trabalho e a qualidade final não vale a pena. Desta forma, a pesquisadora Fufei An e colegas da Universidade de Illinois Urbana Champaign, nos Estados Unidos, conseguiram produzir componentes eletrônicos para dispositivos de próxima geração usando apenas carvão.

Segundo o professor Qing Cao, o carvão é geralmente considerado algo volumoso e sujo, entretanto, as técnicas de processamento que desenvolveram podem transformá-lo em materiais de alta pureza com apenas alguns átomos de espessura.

O professor explica que suas estruturas e propriedades atômicas exclusivas são ideais para produzir alguns dos menores componentes eletrônicos possíveis, com desempenho superior ao estado da arte.

Processo realizado pelos pesquisadores para usar o carvão na eletrônica

O processo desenvolvido pela equipe para utilizar o carvão na eletrônica primeiro converte o material em discos de carbono em nanoescala chamados de pontos de carbono, que podem ser conectados para formar membranas atomicamente finas.

E essas membranas são perfeitas para funcionarem como transistores bidimensionais e até como memoristores, os neurônios artificiais da crescente computação neuromórfica, que imita o cérebro humano. Na busca por dispositivos menores, mais rápidos e eficientes na eletrônica, o passo definitivo serão componentes desenvolvidos com materiais com apenas um ou dois átomos de espessura.

Apesar dos semicondutores ultrafinos terem sido extensivamente estudados, também é necessário possuir isolantes atomicamente finos, materiais que bloqueiam a passagem da corrente elétrica, para desenvolver transistores e memoristores.

Na prática o que os pesquisadores fizeram foi demonstrar que camadas atomicamente finas de carbono, com estruturas atômicas desordenadas, podem funcionar como uma excelente isolante para a construção de componentes eletrônicos bidimensionais, essas camadas de carbono são formadas a partir dos pontos de carbono derivados do carvão.

Segundo Cao, é realmente muito emocionante, visto que esta é a primeira vez que o carvão, algo que é considerado de baixa tecnologia, está diretamente ligado à vanguarda da microeletrônica.

Carvão na eletrônica pode ser duas vezes mais rápido

Os pesquisadores usaram camadas de carbono derivadas de carvão como dielétrico de porta em transistores bidimensionais construídos como o semimetal grafeno e com o semicondutor molibdenita (dissulfeto de molibdênio), obtendo uma velocidade de operação mais de duas vezes mais rápida e com menor consumo de energia.

Como outros materiais atomicamente finos, as camadas de carbono derivadas de carvão não possuem “ligações pendentes”, elétrons que não estejam associados a uma ligação química.

Esses locais, que são abundantes na superfície dos isolantes tridimensionais convencionais, alteram suas propriedades elétricas, funcionando efetivamente como armadilhas, retardando o transporte das cargas elétricas e, desta forma, a velocidade de comutação do transistor.

Entretanto, ao contrário de outros materiais atomicamente finos, as novas camadas de carbono derivadas do carvão são amorfas, o que significa que elas não possuem uma estrutura cristalina regular, sendo assim, não possuem limites entre diferentes regiões cristalinas que sirvam como caminhos de condução que levam ao vazamento, onde correntes elétricas indesejadas fluem por meio do isolador e causam um consumo adicional substancial de energia durante as operações do componente.