Como os materiais 2D podem transformar a eletrônica cotidiana

O grafeno cumpriu sua promessa no laboratório. Agora, os investigadores da UE estão a trabalhar no apoio à sua adoção mais ampla em eletrónica, fotónica e sensores de ponta.

Inge Asselberghs esteve intimamente envolvido em pesquisas avançadas sobre grafeno na última década. Hoje, ela está na vanguarda dos esforços para tirar esse “materials milagroso” do laboratório e colocá-lo na sociedade.

Asselberghs faz parte de uma equipe internacional de pesquisadores que montou uma instalação de fabricação de protótipos de grafeno e outros materiais 2D no Imec, um instituto líder world de pesquisa em nanoeletrônica com sede em Leuven, Bélgica.

A equipa reúne conhecimentos de 11 universidades, institutos de investigação e empresas em seis países europeus como parte da linha piloto experimental 2D (2D-EPL). O objetivo é avançar na produção e integração de grafeno em protótipos para uso em eletrônica, fotônica e sensores de ponta.

O grafeno tem o potencial de transformar fundamentalmente muitas áreas da tecnologia. Composto por apenas uma única camada de átomos de carbono, é extremamente fino.

O grafeno é excepcionalmente forte, leve e flexível e capaz de conduzir calor e eletricidade. Isto o torna altamente adaptável a uma ampla gama de produtos, desde baterias de última geração até aplicações aeronáuticas e espaciais avançadas.

“O entusiasmo começou assim que o grafeno foi descoberto. Period muito mais forte do que inicialmente previsto”, disse Asselberghs.

Reconhecendo o potencial económico do grafeno e de outros materiais 2D, a UE lançou em 2013 a iniciativa emblemática do grafeno, com duração de 10 anos, reunindo 178 parceiros académicos e industriais com um orçamento de mil milhões de euros para impulsionar a investigação nesta área. 2D-EPL faz parte desta ampla iniciativa.

Protótipos experimentais

O objetivo da linha piloto experimental, instalada em vários locais, period acelerar o uso de grafeno e outros materiais em camadas na fabricação de novos protótipos para eletrônica, fotônica, sensores e optoeletrônica. Este será um passo essential antes que os materiais 2D possam ser integrados na fabricação de chips em grande escala.

“Nosso primeiro objetivo period descobrir como fazer dispositivos de grafeno em escala de wafer, modificando os processos existentes para que pudessem ser manuseados em instalações de fabricação automatizadas”, disse Asselberghs.

Wafers são fatias finas e redondas de materials para uso em eletrônicos e outras indústrias. Alcançar o estágio em que o grafeno possa ser incluído rotineiramente em dispositivos sofisticados seria um marco importante.

Fabricação impecável

Uma desvantagem é que a espessura do grafeno e de outros materiais 2D pode dificultar sua fabricação perfeita. Basta apenas um grão de poeira, ou mesmo algumas moléculas indesejadas, para causar defeitos no grafeno.

Durante o processo de fabricação, o grafeno deve ser protegido por uma fina camada de polímero e depois transferido para uma base de silício. Essas camadas finas precisam ser manuseadas com extremo cuidado. Descobrir como fazer isso em um processo automatizado foi um desafio.

“Sua sala e suas ferramentas precisam ser supercontroladas e limpas para evitar quaisquer partículas em seu dispositivo”, disse Asselberghs.

Na unidade de fabricação especial do Imec foi instalada uma linha de montagem para processar wafers com grafeno de 200 ou 300 mm de diâmetro, tamanho padrão usado em instalações de fabricação de silício e, portanto, acquainted à indústria.

Outros parceiros de investigação acrescentaram ferramentas, máquinas e conhecimentos para ajudar a “preparar” a receita perfeita de grafeno, uma vez que a produção em grande escala continua a ser delicada.

Potencial emocionante

A Europa tem sido líder world na exploração do potencial do grafeno e de outros materiais 2D.

“Estamos numa posição bastante forte na Europa com materiais 2D porque tivemos financiamento consistente e de longa knowledge para esta investigação”, disse Hurt Knoops, investigador holandês da Oxford Devices Plasma Expertise de Bristol, Reino Unido.

Sua empresa é especializada no uso de tecnologia de plasma para a criação e manipulação de matéria com precisão em escala atômica e contribuiu para o processo de fabricação em 2D-EPL.

O entusiasmo entre pesquisadores e indústrias em torno dos materiais 2D não se concentra apenas no grafeno. Os pesquisadores também estão interessados ​​em outros materiais superfinos que possam – como o silício – atuar como semicondutores e ser usados ​​na fabricação avançada.

O potencial desses materiais tem atraído interesse de diversas áreas da indústria. Clientes potenciais já entraram em contato com a equipe de pesquisa com solicitações específicas de design.

Na cúspide

Uma grande vantagem do grafeno é que ele consiste em carbono, um dos elementos mais comuns na Terra. A esperança é que a integração do grafeno apoie a fabricação barata e em grande escala de eletrônicos e sensores avançados e permita o desenvolvimento de dispositivos que ainda nem foram inventados.

Embora ainda não esteja pronto para implantação industrial como parte da eletrônica avançada, grafeno e outros materiais 2D certamente chegarão ao mercado eventualmente. Eles poderiam levar a dispositivos melhores com transistores super-rápidos ou sensores mais nítidos, disse Knoops, cuja empresa fazia parte da Graphene Flagship.

“Isso pode significar que os knowledge facilities usam menos energia, ou que sua web é mais rápida, ou que você pode ter um sensor especial ou dispositivo médico conectado ao seu telefone”.