Kazakistan’ın Nükleer Silah Politikasının Milli Gücüne Etkis

Apesar do sucesso alcan¸cado pelo m´etodo de hidrogena¸c˜ao catal´ıtica na produ¸c˜ao de nano- estruturas de grafeno, h´a not´aveis inconvenientes em tal processo no que tange aos grafenos em si: as amostras produzidas por esfolia¸c˜ao mecˆanica apresentam um baixo n´umero de monoca- madas de grafeno, aliado ao pequeno tamanho dos flocos. Al´em disso, a posi¸c˜ao dos grafenos ´e totalmente aleat´oria no substrato e a identifica¸c˜ao dos nanocanais dever´a ser feita atrav´es de AFM. Outro fator relevante ´e que a fabrica¸c˜ao de dispositivos eletrˆonicos que possuam uma nanofita ou nanoconstriction como canal de condu¸c˜ao s´o ser´a poss´ıvel ap´os um processo de litografia eletrˆonica para defini¸c˜ao dos contatos el´etricos, de modo que a produ¸c˜ao ´e conside- rada individual e lenta. De maneira mais geral podemos identificar a produ¸c˜ao de dispositivos descrita acima como pertencente `a arquitetura bottom-up (de baixo para cima ou da parte para o todo).

O cen´ario de fabrica¸c˜ao de dispositivos de grafeno monocamada em s´erie come¸cou a se tornar poss´ıvel com o estabelecimento da t´ecnica de produ¸c˜ao de filmes de grafeno em grandes ´areas, ent˜ao denominados grafenos CVD. A t´ecnica envolve basicamente o uso de folhas de cobre (ou outro metal como ferro) como substrato para crescimento do filme, que se d´a dentro de um forno CVD, sob altas temperaturas e na presen¸ca de gases tais como metano e hidrogˆenio (a descri¸c˜ao da t´ecnica ´e encontrada no Apˆendice 3 desta tese). Uma vez institu´ıda e bem estabelecida a t´ecnica de crescimento de grafeno CVD em grandes ´areas, houve tamb´em bastante interesse em se explorar a arquitetura top/down (de cima para baixo) na fabrica¸c˜ao de dispositivos baseados nesse material. Em tal configura¸c˜ao, o grande filme de grafeno pode ser depositado no substrato j´a previamente contendo contatos el´etricos e ent˜ao o grafeno precisa apenas ser padronizado de acordo com o projeto eletrˆonico almejado. Neste contexto, surgiu ent˜ao a necessidade de desenvolver diferentes maneiras de modificar, esculpir e estruturar o grafeno. Com este fim, uma gama de estrat´egias emergiu visando modificar localmente a sua superf´ıcie, avaliando os efeitos de danos em sua folha, incluindo bombardeamento por ´ıons [110, 111], reatividade fotoqu´ımica [112, 113, 114, 115] e abla¸c˜ao utilizando fontes de lasers pulsadas [116, 117, 118].

O pr´oximo passo, natural com toda essa corrida pelo controle da modifica¸c˜ao estrutural do grafeno, foi confin´a-lo na forma de nanoconstrictions e nanofitas. Estes sistemas tˆem atra´ıdo

bastante aten¸c˜ao dos pesquisadores devido `as suas interessantes propriedades de transporte el´etrico tais como comportamento bal´ıstico em nanocanais de bordas perfeitas, bloqueio Cou- lombiano e localiza¸c˜oes de Anderson em bordas desordenadas e a possibilidade de abertura de gap devido ao confinamento quˆantico [119, 120], como j´a mencionado no cap´ıtulo 2. Como motiva¸c˜ao, o grafeno tem sido indicado como um dos melhores materiais para utiliza¸c˜ao como interconectores “100% carbono” em futuras gera¸c˜oes de circuitos integrados, gra¸cas `a sua exce- lente condutividade t´ermica e alt´ıssima densidade de corrente de quebra (∼ 2 x 109 _A/cm2_),

chegando a superar inclusive o material cobre [6, 121]. Al´em disso, nanocanais de grafeno s˜ao considerados promissores materiais para uso em sensores biol´ogicos e sequenciamento de DNA [122].

Al´em do confinamento do grafeno, ´e poss´ıvel alterar suas propriedades el´etricas e mecˆanicas criando dobras em sua estrutura. Estudos te´oricos tˆem sugerido um comportamento interessante para as propriedades el´etricas de grafeno dobrado sob campos magn´eticos [123]. Atualmente, a grande parte de estruturas dobradas de grafeno s˜ao na realidade um sub-produto do crescimento de grafeno CVD em cobre, aparecendo naturalmente durante o processo. O desenvolvimento de alguma t´ecnica que pudesse aumentar o controle da produ¸c˜ao de grafeno com dobras ´e portanto algo desejado.

Neste cen´ario, altamente promissor e convidativo, in´umeras t´ecnicas come¸caram a ser empre- gadas visando o controle da produ¸c˜ao de nanocanais e nanoestruturas de grafeno, dentre elas podemos citar a t´ecnica convencional de nanolitografia [120, 124], eletromigra¸c˜ao controlada por feedback [125, 126], esculpimento por feixe eletrˆonico ou aquecimento in situ por corrente usando-se Microscopia Eletrˆonica de Transmiss˜ao (TEM) [127, 128, 129]. Uma ilustra¸c˜ao de estruturas formadas a partir dessas t´ecnicas ´e dada na Fig.5.16 a-d.

Sem subestimar o avan¸co em precis˜ao que esses m´etodos conquistaram (produzindo canais com menos de 10 nm de largura), em alguns aspectos eles ainda deixam a desejar devido `a falta de controle e reprodutibilidade, somadas `as exigˆencias do uso de t´ecnicas extremamente sofisticadas e lentas.

Recentes experimentos envolvendo a a¸c˜ao de lasers em grafeno mostram uma maneira mais controlada de obten¸c˜ao de dobras no material. ´E tamb´em bem conhecido que a a¸c˜ao de lasers ´e capaz de queimar ou sublimar o grafeno. Neste contexto, uma intrigante quest˜ao emerge: qual seria a estrutura de um nanocanal obtido utilizando-se a t´ecnica de abla¸c˜ao por laser ?

Figura 5.16: Ilustra¸c˜ao de estruturas confinadas de grafeno utilizando-se diferentes t´ecnicas. a) Uso de nanolitografia convencional para definir um canal de ´oxido de alum´ınio que funcionar´a como m´ascara para corros˜ao do grafeno [6]. b) Uso de eletromigra¸c˜ao em duas etapas para definir nanocanais de grafeno. Na primeira etapa o estreitamento de ouro (Au) ´e quebrado deixando um gap nanom´etrico que exp˜oe a regi˜ao de grafeno sob ele. Uma segunda etapa de eletromigra¸c˜ao ´e realizada em v´acuo para estreitar ainda mais o canal de grafeno exposto [126]. c) Imagem de TEM mostra que a irradia¸c˜ao de um feixe de el´etrons com energia de 80kV ´e capaz de produzir regi˜oes confinadas de grafeno [129]. d) Imagem de TEM mostra que uma regi˜ao de grafeno entre dois contatos pode ser reduzida a nanofitas devido `a passagem de corrente pelo material [127]

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Visando uma maneira de aprimorar e facilitar o controle da produ¸c˜ao de nanoestruturas em grafeno apresentamos a seguir uma metodologia “em s´erie” e, em alguma extens˜ao, livre do uso de resiste para produzir nanocanais com resistˆencia controlada em grafeno CVD. O m´etodo empregado utiliza uma fonte de luz branca pulsada para promover a abla¸c˜ao do grafeno e nos referiremos a ela como “laser ” somente por conveniˆencia. O m´etodo consiste em um esculpimento program´avel do grafeno uma vez que ele permite definir um caminho arbitr´ario para o laser e simultaneamente controlar seu estado ligado/desligado baseado no valor de resistˆencia da amostra. O estreitamento do canal se d´a na presen¸ca de dobras do grafeno que tamb´em ser˜ao analisadas. Este trabalho foi desenvolvido na Universidade de Cornell (EUA), sob a orienta¸c˜ao do professor Paul L. McEuen.