GRAFENO - Materiais Elétricos

UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ - UFPI CENTRO DE TECNOLOGIA - CT DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA PROFESSOR: DR. LUIS GUSTAVO MOTA SOUZA

GRAFENO

Heinrich Hertz Silva  –  201175624  201175624 Iago César Linhares  –  201174494  201174494 Leonardo Lucas Soares  –  201174073  201174073 Rodrigo Barros Oliveira  –  201175016  201175016 Walterlins W. da Silva - 201176748

Teresina Dezembro de 2014

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SUMÁRIO CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ......................................................................................... 3 CAPÍTULO 2  –   DESENVOLVIMENTO ........................................................................... 4 2.1 PROPRIEDADES GERAIS DO GRAFENO ........................................................................ 4 2.2 PROPRIEDADES ELÉTRICAS DO GRAFENO .................................................................. 4 2.3 PROPRIDADES TÉRMICAS DO GRAFENO ..................................................................... 5 2.4 NOVAS POSSIBILIDADES : FITAS DE GRAFENO E SPINTRÔNICA .................................... 6 2.5 APLICAÇÕES ............................................................................................................. 7 2.6 PONTO FRACO DO GRAFENO ..................................................................................... 7 2.7 GRAFENO NO BRASIL ................................................................................................ 8 3- CONCLUSÃO.................................................................................................................. 9 REFERÊNCIAS ................................................................................................................. 10

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Capítulo 1 - INTRODUÇÃO Um material tão ou mais revolucionário do que o silício e o plástico, extremamente forte, leve, flexível, ótimo condutor de eletricidade e quase totalmente transparente. Esse é o cartão de visitas do grafeno, que deu o Prêmio Nobel de Física de 2010 para Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester (Grã-Bretanha)  –   o dínamo de uma  provável nova era industrial. Essa fina lâmina de carbono de um átomo de espessura não é exatamente uma novidade. Ela já havia sido notada em 1947, pelo físico canadense P. R. Wallace, no estudo das propriedades eletrônicas da grafite, o metal usado na fabricação de lápis, de onde o grafeno também é extraído. Mas obter uma amostra dela fosse então considerado impossível. O grafeno só foi observado pela primeira vez em 1962, pelos químicos alemães Ulrich Hofmann e Hanns-Peter Boehm. Foi Boehm quem o batizou. Mas suas propriedades ficaram desconhecidas por décadas, até ele reaparecer em grande estilo em 2004, na Universidade de Manchester. Curiosamente, a cidade que se tornou símbolo da Revolução Industrial, no início do século 19. Kostya Novoselov explorou o grafeno como uma superfície ultrafina para condução de eletricidade. De acordo com o Laboratório de Lawrence Berkeley, na Califórnia, a tecnologia é o "2D" que tornará os eletrônicos mais rápidos futuramente. Ele ganhou esse apelido de "duas dimensões" por ser uma camada muito pouco espessa nos circuitos, intercalada entre outros componentes.

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Capítulo 2  –  DESENVOLVIMENTO 2.1 Propriedades Gerais do Grafeno O grafeno é uma das formas cristalinas do  carbono, assim como o diamante, a grafite, os nanotubos de carbono efulerenos. É o material mais forte já demonstrado, consistindo em uma folha plana de átomos de carbono densamente compactados em uma grade de duas dimensões. O grafeno tem a menor espessura possível: apenas um átomo. No plano, esses átomos arranjam-se em uma distribuição que lembra uma colmeia de abelhas, todos dispostos nos vértices de hexágonos. Cada carbono tem três outros átomos ligados a ele, que estão mais próximos, chamados primeiros vizinhos. Como o átomo de carbono tem quatro elétrons que participam de ligações químicas, três destes últimos fazem ligações no plano com os primeiros vizinhos. Essas ligações são bem fortes, o que garante a estabilidade estrutural do grafeno. O quarto elétron de cada carbono ocupa uma distribuição no espaço tal que a maior chance de encontrá-lo é acima ou abaixo do plano. Além disso, esses elétrons (um por átomo de carbono) tendem a se ‘deslocalizar’  pela rede cristalina (pode-se imaginar a rede cristalina como a estrutura formada pelos átomos e suas ligações químicas; em geral, a rede cristalina é tridimensional, mas, no caso do grafeno, ela é bidimensional, ou seja, plana). Os elétrons ‘deslocalizados’, chamados elétrons π, são responsáveis pela maior parte

das propriedades elétricas desse material.

2.2 Propriedades Elétricas do Grafeno Devido à estrutura geométrica do grafeno, as equações que os físicos usam para descrever o movimento de seus elétrons (e buracos) são semelhantes àquelas empregadas para descrever o movimento dos fótons (as partículas de luz), que viajam à velocidade da luz no vácuo (300 mil km/s). O fato de os portadores de carga elétrica no grafeno poderem ser descritos desse modo (apesar de terem uma velocidade cerca de 300 vezes menor que a da luz) explica uma série de propriedades desse novo material. Outra característica do grafeno é o fato de o movimento de seus elétrons e  buracos ser praticamente insensível: i) a defeitos (defeitos, por exemplo, podem ser

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átomos de um elemento químico estranho à composição do grafeno); ii) à desordem na rede cristalina (perda da simetria que caracteriza a rede). Essas propriedades tornam o grafeno um material muito promissor para a construção de dispositivos eletrônicos.  Na presença de um campo elétrico externo, os elétrons e buracos do grafeno adquirem uma velocidade média que é proporcional à intensidade desse campo; ou seja, quanto mais intenso o campo aplicado, maior a velocidade de deslocamento dos portadores. A mobilidade (razão entre a velocidade e a intensidade do campo) é uma característica importante de dispositivos eletrônicos. Para se ter uma ideia, materiais de largo emprego na indústria de semicondutores, como o silício (Si) e o arseneto de gálio (GaAs), têm mobilidade dos elétrons (à temperatura ambiente) que são aproximadamente 130 e 25 vezes menores, respectivamente, que a do grafeno. Os elétrons em materiais normais, na presença de desordem, em duas dimensões, tendem a apresentar uma propriedade chamada de localização, que faz com que essas  partículas percam mobilidade ao atravessarem a rede cristalina. No grafeno, esse fenômeno é altamente suprimido.

2.3 Propridades Térmicas do Grafeno Um dos grandes interesses do grafeno é sua utilização na nanoeletrônica. Quando uma corrente atravessa um material, ocorre uma dissipação de energia, esquentando-o, o chamado efeito Joule (um exemplo típico em nosso cotidiano é o ferro elétrico). Quando  passamos para a escala nano, essa dissipação de energia por unidade de área e por unidade de tempo passa a ser um problema sério, e pode inviabilizar o dispositivo. Por meio de um experimento engenhoso, no qual se monitorou como a luz interage com as vibrações dos átomos na rede, foi possível estudar a dissipação de energia (ou mais  precisamente, a condutividade térmica) de uma folha de grafeno. Recentemente, a equipe de Alexander Balandin, da Universidade da Califórnia, em Riverside (Estados Unidos), mostrou que o grafeno transporta calor de maneira altamente eficiente, o que está associado ao modo como os átomos vibram em torno de suas posições de equilíbrio na rede cristalina. A condutividade térmica do grafeno, devido às fortes ligações entre seus átomos de carbono, é extremamente alta, mais alta do que em outras formas alotrópicas do carbono, como o diamante, no qual essa propriedade física é elevada. Essa característica excepcional do grafeno torna-o ainda mais interessante como material para uma nanoeletrônica do futuro.

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2.4 Novas Possibilidades: Fitas de Grafeno e Spintrônica Outro importante avanço foi a possibilidade de ‘cortar’

as

folhas de

grafeno,

criando nanoestruturas chamadas de fitas de grafeno. Essas nanofitas  –  o nome vem do fato de elas terem dimensões na casa dos nanômetros  –   têm sido criadas utilizando-se um ‘gás’ quentíssimo (plasma de oxigênio, na verdade)  que basicamente reage com os átomos de

carbono do grafeno, criando ‘buracos’. A região que se deseja deixar intacta (o que virá a ser a nanofita) é protegida com uma cobertura apropriada, e a parte do grafeno não protegida é exposta ao plasma e removida. Com isso, não só as nanofitas são criadas, mas também é  possível a fabricação de nanocircuitos. Um inconveniente desse método: é difícil fabricar fitas muito estreitas (com poucos nanômetros de largura) sem que ocorra desordem em suas bordas. Entretanto, recentemente, o grupo de Hongjie Dai, da Universidade Stanford (Estados Unidos), conseguiu fabricar essas nanofitas com melhor qualidade, utilizando um processo de síntese química. Apesar de esse processo ainda ter de ser aprimorado para a fabricação de fitas em larga escala, ele abre uma perspectiva promissora para a área de nanoeletrônica. Essas fitas apresentam, como o grafeno, propriedades interessantes. A mobilidade dos elétrons nelas ainda é alta, mas o comportamento relativístico dessas partículas não está mais presente. Além disso, essas fitas, diferentemente do grafeno, apresentam uma característica semicondutora, necessitando de uma energia finita para que surjam as cargas condutoras de eletricidade (elétrons e buracos) nelas. Essa energia depende da largura dessas fitas, o que é bem interessante, mais uma vez, para a fabricação de dispositivos eletrônicos. Experimentalmente, vários grupos já criaram, em laboratório, dispositivos como transistores utilizando essas fitas. Mais ainda: previsões teóricas indicam que, dependendo das características das bordas, essas fitas têm propriedades magnéticas. Isso poderia levar à fabricação de dispositivos ‘spintrônicos’, nos

quais não só a carga do elétron, mas também o

spin (momento magnético intrínse co, que pode ser imaginado como a ‘rotação’ dessa  partícula) são utilizados para um controle da corrente. Recentemente, realizou-se previsões segundo as quais, substituindo átomos de carbono da borda de uma fita por átomos do elemento químico boro, seria possível causar uma assimetria na corrente dependendo do spin dos elétrons. Essa também é uma importante característica para a produção de dispositivos spintrônicos.

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Talvez a dificuldade de fabricação de bordas ordenadas é o que ainda tenha impedido a observação desses efeitos nas fitas de grafeno.

2.5 Aplicações Com 1001 utilidades, o grafeno promete ser um dos principais materiais por trás das tecnologias do futuro. Tendência no mundo da ciência,  a forma super-resistente do carbono tem aplicações que vão de raquetes de tênis a preservativos.  No entanto, pode-se citar pelo menos 3 áreas de maior importância que o grafeno irá afetar diretamente, são elas: telecomunicações, eletrônica, energética.  Na área de telecomunicações pode-se citar o uso do grafeno na fabricação de telas flexíveis, não só telas mas também baterias. Na parte de eletrônica já se estuda a construção de transistores de grafeno que serão ainda menores que os atuais, já possuindo dimensões microscópicas. No ramo energético, já foram propostas baterias de grafeno, que conseguem ser carregadas mais rapidamente do que as atuais de lítio.  No contexto da computação, o grafeno pode atuar das mais diversas formas, seja aumentando o poder de processamento, já que é um melhor condutor de eletricidade e esquenta menos; ou ainda melhorando o acesso a internet considerando que o gargalo atual é na parte de conversão da transmissão óptica para elétrica, sendo que o circuito de grafeno é até 100 vezes mais rápido que um comum.  Na área esportiva, a fabricante de raquetes de tênis HEAD anunciou um modelo que conta com grafeno em sua composição. Segundo a empresa, o material permite a melhor distribuição do peso e dá mais velocidade ao saque de jogadores. Com tantas possibilidades é evidente que o grafeno ainda vai surpreender muito,  positivamente ou negativamente pois ainda existem muitas incertezas, para cada aplicação  proposta há uma série de obstáculos a serem superados para a sua utilização no nosso cotidiano.

2.6 Ponto Fraco do Grafeno Uma equipe de cientistas da Universidade Rice e do Instituto de Tecnologia da Geórgia (EUA) testaram pequenos pedaços de grafeno “bicamada” –   duas

folhas de um único

átomo de espessura de carbono puro uma sobre a outra  –   fazendo pequenas rachaduras neles com feixes de íons focalizados. Então, puxaram o grafeno para ver o quão rápido as rachaduras se expandiriam até que o material se rompesse.

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Segundo alguns estudos o grafeno é muito sensível à presença de uma rachadura. Já o aço tem uma enorme resistência à extensão de rachaduras.

2.7 Grafeno no Brasil O Brasil entrou na briga para desenvolver essa tecnologia, e a Universidade Presbiteriana Mackenzie, de São Paulo, anunciou o investimento de R$ 20 milhões para a criação de um centro de estudos do novo material. O centro de pesquisas MackGrafe será inaugurado neste ano, mas já estava sendo arquitetado desde 2012, e pretende pesquisar nanopartículas. Dentro do investimento total da Mackenzie, as pesquisas do grafeno receberam R$ 9,8 milhões da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp). O Conselho  Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) também participa do projeto. Se os pesquisadores brasileiros fornecerem contribuições especiais na pesquisa do grafeno, teremos uma chance de despontar com essa tecnologia em nosso país.

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3- CONCLUSÃO Inúmeras propriedades do grafeno foram listadas. No entanto, o maior desafio das empresas e desenvolvedores que apostam na tecnologia é tornar a produção do material viável comercialmente e em larga escala  –   a maioria dos testes é feita hoje em laboratórios. A situação não é muito diferente do que aconteceu logo quando o silício foi descoberto, que só  passou a ser usado em transistores cerca de sete anos após seu surgimento. Os primeiros circuitos integrados demoraram ainda mais tempo para utilizar o silício, e só foram fabricados cerca de 20 anos depois. Esse cenário deve mudar com a chegada de novos procedimentos que tentam viabilizar a fabricação do grafeno para as massas. Com tantas possibilidades fica claro que o grafeno ainda vai surpreender muito, pois ainda existem muitas incertezas, ou seja, para cada aplicação proposta há uma série de obstáculos a serem superados para a sua utilização no nosso cotidiano.

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REFERÊNCIAS [1] Araia, E. - Como o Grafeno vai mudar sua vida . Disponível http://revistaplaneta.terra.com.br/secao/ciencia/como-grafeno-vai-mudar-sua-vida

em:

[2] Castro Neto, A. H.; GuiNeA, F.; PereS, M. ‘drawing conclusions from graphene’ . Physics World, novembro de 2006. disponível em http://physics.bu.edu/news_items/show/20 [3] GeiM, A. K.; NovoSeLov, K. S. ‘the rise of graphene’ . Nature Materialsv. 6, p. 183-191 (2007). [4]

Maes,

J.

Grafeno

Tem

seu

Ponto

http://hypescience.com/grafeno-ponto-fraco/

Fraco  

Descoberto.

Disponível

em: