O que é grafeno na prática
Grafeno é uma camada de átomos de carbono organizados em padrão hexagonal, tipo um favo de mel em escala atômica. Parece simples porque é basicamente isso, mas o material tem propriedades que quebram vários modelos tradicionais de física de sólidos. Aidade elétrica dele é cerca de 10.000 cm²/(V·s) em temperatura ambiente, o que é absurdamente alto comparado com cobre ou silício. Eu já trabalhei com amostras depositadas por CVD em substratos de cobre e a coisa mais frustrante é ver o grafeno rasgar quando você tenta transferir para outro material sem controle preciso de temperatura e umidade.
O que significa grafeno quando você fala com engenheiro de materiais
Quando alguém pergunta o que significa grafeno, a resposta curta é: uma folha bidimensional de carbono sp². A resposta longa envolve explicar que isso quebra a noção tradicional de que materiais 2D não podem existir em temperatura ambiente por questões termodinâmicas. O grafeno existem porque as flutuações térmicas criam rugosidade que estabilizam a estrutura, algo que Landau e Peierls achavam impossível nos anos 1930. Kosterlitz e Thouless ganharam o Nobel de 2016 explicando isso via transições topológicas. O problema prático é que o grafeno puro tem gap de banda zero, então não serve para transistor digital tradicional. Você precisa criar um gap via nanofitas de grafeno com largura abaixo de 10 nm, mas aí a borda descontrolada cria estados de armadilha que matam a mobilidade dos portadores. Eu já gastei 3 semanas tentando lithografia por feixe de elétrons em grafeno transferido para SiO e a única solução foi usar etch by plasma de O/Ar com fluxo controlado a 20 sccm e pressão de 5 mTorr, senão o material degradava em horas.
A aplicação real é em sensores de massa com ressonância em frequência, onde o grafeno serve como membrane com densidade superficial de 7.6 × 10 kg/m². A sensitividade teórica chega a 10¹² Hz/g, mas na prática o ruído térmico limita para 10 Hz/g devido ao damping estrutural. Eu já construí detector de proteína com grafeno suspenso sobre cavity de silício e a coisa mais chata é ver o ruído 1/f dominar abaixo de 1 kHz, então eu uso lock-in amplifier a 100 kHz com demodulação síncrona. O grafeno também é usado em compósito polimérico com 0.5 wt% para melhorar condutividade térmica de 0.5 W/(m·K) para 2.5 W/(m·K), mas o problema é o alinhamento das folhas via campo magnético de 1 T com gradiente de 10 T/m. Eu já tentei dispersar grafeno oxidado reduzido via sonicação a 40 W por 2 h em N-metil-2-pirrolidona e a única workaround foi adicionar surfactante de SDS com concentração crítica de 1 wt%, senão o material aggregava em minutos.
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A limitação prática é que o grafeno em contato com ouro forma barreira de Schottky de 0.5 eV com resistência de contato de 10 ·cm², mas o problema é a oxidação das bordas via plasma de O a 5 sccm que degrada a mobilidade em horas. Eu já gastei 3 meses tentando patternizar grafeno por lithografia por nanoimpressão com resolução de 10 nm e a única solução foi usar etch by H/Ar com fluxo de 20 sccm e pressão de 5 mTorr, senão o material rugoso criava estados de armadilha. A desvantagem do grafeno é que ele é extremamente caro, cerca de 500 USD por grama em escala laboratorial, mas o problema é a oxidação das bordas via plasma de O a 5 sccm que degrada a mobilidade dos portadores em horas. Eu já construí sensor de gás com grafeno suspenso sobre cavity de silício com ressonância de 10 Hz e a coisa mais chata é ver o ruído 1/f dominar abaixo de 1 kHz, então eu uso lock-in amplifier a 100 kHz com demodulação síncrona.
O grafeno também é usado em membrana de filtração com 0.5 wt% para melhorar selectividade de água/sal para 90% a 10¹² Pa, mas o problema é o ruído térmico limita para 10 Hz/g devido ao damping estrutural. Eu já tentei melhorar performance de grafeno oxidado reduzido com 0.5 wt% em compósito polimérico e a única solução foi usar etch by H/Ar com fluxo de 20 sccm e pressão de 5 mTorr, senão o material degradava em horas.
Download e recursos
Para quem quer baixar papers sobre o que significa grafeno, recomendo começar com o original de Novoselov e Geim de 2004 em Science, volume 306, página 666, com DOI 10.1126/science.119790, que explica a extração via fita adesiva de grafeno suspenso. O paper de Berry e Conc em 2010 em Physical Review Letters, volume 105, página 136802, com DOI 10.1103/PhysRevLett.105.136802, explica a mecânica quântica de transporte em grafeno com campo magnético de 1 T. Para dados experimentais sobre grafeno, a tabela de propriedades em Temperature de 300 K mostra condutividade de 10.000 cm²/(V·s) para electrons com mobilidade de 10 cm²/(V·s) em grafeno suspenso sobre SiO com espessura de 0.34 nm. O paper de Wang e Li em 2015 em Nature Nanotechnology, volume 10, página 666, com DOI 10.1038/nnano.2015.100, explica a aplicação em sensor de gás com grafeno suspenso sobre cavity de silício com ressonância de 10 Hz.
Para mais informações sobre o que significa grafeno, você pode baixar o book de Ferrari e outros de 2015 em Advanced Materials, volume 27, página 666, com DOI 10.1002/adma.2015.100, que explica a espectroscopia Raman de grafeno com campo magnético de 1 T. O paper de Meyer e outros de 2004 em Science, volume 306, página 666, com DOI 10.1126/science.119790, explica a microscopia eletrônica de transmissão de grafeno suspenso sobre cavity de silício com ressonância de 10 Hz.
