Grafeno e Nanotubos de Carbono

Grafeno e Nanotubos de

Carbono

Rodrigo B. Capaz

Instituto de Física

Nanomateriais de Carbono

Átomos de carbono: Configuração eletrônica

1s

_2s

_2p

Carbono forma uma imensa

variedade de estruturas devido

à capacidade de hibridização

dos elétrons da segunda

camada

Hibridização sp

3

Hibridização sp

2

Benzeno

Grafite

Fullerenos

Harold Kroto Robert F. Curl Richard E. Smalley

Descobertos em 1985,

Nobel de Química 1996

Motivação: Astrofísica

R. Buckminster

Fuller

×10

×10

C

ou

“buckyball”

0,7 nm

Dopagem com K:

Supercondutividade

S. Iijima

(1991)

Endo

(1974)

Nanotubos de Carbono

Radushkevich e

Lukyanovich

(1952)

Nanotubos de Carbono:

“The hottest topic in Physics” (2006)

http://physicsworld.com/cws/article/news/24845

C

and

fullerenes

Nanotubes

Graphene

Síntese

• Descarga de arco com eletrodos de grafite

• Vaporização por laser

• CVD (“chemical vapor deposition”)

Mais detalhes em: http://materials.ecn.purdue.edu/~mdasilva/CVDnanotubes.shtml

Síntese

Dificuldades e questões em aberto: • Purificação

• Como produzir nanotubos com (

n

m

• Como atuam os catalisadores?

Material estratégico

e de alto custo

Distribuição de diâmetros e

quiralidades

In situ Observations of Catalyst Dynamics during

Surface-Bound Carbon Nanotube Nucleation: In situ

Observations of Catalyst Dynamics during Surface-Bound

Carbon Nanotube Nucleation

Sorting carbon nanotubes by electronic structure using density

differentiation

Michael S. Arnold, Alexander A. Green, James F. Hulvat, Samuel I.

Stupp & Mark C. Hersam

2 1

a

a

C



n



m

Índices quirais

(

n,m

)

Metais ou Semicondutores

Metal



= 0

Semicondutor 

= 2

Semicondutor



= 1



= (n-m) mod 3

Nanotubos podem ser metais ou semicondutores dependendo

apenas da maneira como são enrolados: Propriedade única entre

Estrutura Eletrônica de Grafite e Nanotubos



K

M

Tubo metálico



K

M

Tubo

semicondutor

Estrutura Cristalina

Rede Recíproca

Transition p μ S

_E

1

1

_E

2

0

_E

3

0

_E

3

1

_E

4

1

_E

5

0

_E

6

0

_E

6

1

_E

7

1

_E

8

0

k

k = 2p/3d

Linhas de quantização

Modelo mais simples para a estrutura

eletrônica de nanotubos de carbono

Singularidades de

van Hove

Op

tical

densit

y

Antes de 2001…

Feixes de nanotubos

Kataura plot

E

E

E

Resonance Raman Intensity

Light

emission

Electron

phonon

interaction

Light

absorption

Laser spot

E

E

|a>

|b>

w

= A/d

+ B

Fotoluminescência de

nanotubos em solução

(n,m)

(9,5)

(7,6)

(8,3)

(6,5)

micelle

D

O

tube

TEM e espalhamento Rayleigh

• 148 SWNTs (104 SC and 44 M)!

• Total of 314 transition energies.

• Diameter range: 1.6 nm to 4.1 nm

• Energy range: 1.4 eV to 2.6 eV

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

1/d (nm

-1

)

E

n

e

rg

y(e

V

)

M11

M22

E66

M33

E77

E33

E55

_E44

O transistor

Dispositivo original

Transfer resistor - em Ge,

anunciado por alto-falante

com

som amplificado 18 vezes

.

Bardeen, Shockley e Brattain,

25/12/1947, Bell Labs, USA.

Nobel – 1956

Circuitos Integrados

Nobel – 2000

Todos os componentes

do dispositivo encravados

e interconectados em uma

única placa de Si.

O 1

_{chip – 5 componentes}

eletrônicos integrados.

J. Kilby, verão de 1958

Revolução na Eletrônica

1966:

Protótipo da primeira

calculadora de bolso;

1971: Microprocessador 4004

(108 kHz) ~ mil transistores

2000: Pentium 4

(1.5 GHz) 42 milhões de transistores

Miniaturização dos

chips

MOSFET

(

metal-oxide-semiconductor field-effect transistor

)

p

n

n

Fonte

_Porta

Dreno

óxido

contatos

metálicos

canal

SiO

10 Å

Transistores de uma única molécula

Dispositivos nanoeletrônicos

Junções (metal-metal, metal-semicondutor,

semicondutor-semicondutor)

(6,6) - metal

(10,0) - semicondutor

Although carbon nanotube (CNT) transistors have been promoted for years as a replacement for silicon technology, there is limited theoretical work and no experimental

reports on how nanotubes will perform at sub-10 nm channel lengths. In this manuscript, we demonstrate the first sub-10 nm CNT transistor, which is shown to outperform the best competing silicon devices with more than four times the

diameter-normalized current density (2.41 mA/μm) at a low operating voltage of 0.5 V. The nanotube transistor exhibits an impressively small inverse subthreshold slope of 94

mV/decade—nearly half of the value expected from a previous theoretical study. Numerical simulations show the critical role of the metal–CNT contacts in determining the performance of sub-10 nm channel length transistors, signifying the need for more

accurate theoretical modeling of transport between the metal and nanotube. The superior low-voltage performance of the sub-10 nm CNT transistor proves the viability of

nanotubes for consideration in future aggressively scaled transistor technologies.

IBM

Intel Looking To Nanotubes As Thermal Interface Materials

Propriedades mecânicas: Fibras e tecidos

feitos de nanotubos

Compósitos Nanotubos-Polímeros

Pontas de AFM feitas de nanotubos

Aumento na

resolução

Efeitos de pressão

hidrostática

P = 3.0 GPa

P = 4.0 GPa

Sensor de pressão na escala nano

Grafeno

C

and

fullerenes

Nanotubes

Graphene

A. Geim e K. Novoselov:

Geim e o Prêmio Ig-Nobel (2000):

Levitação de sapos

Síntese

Esfoliação mecânica (ou método da fita durex)

Outros métodos:

-

Crescimento epitaxial (sobre SiC ou

metais)

Na vizinhança dos pontos K e K’, a relação de dispersão é linear

(partículas relativísticas)

v

=3

V

a

/2 ≈ 1,1×10

_m/s

Equação de Dirac 2D para

férmions sem massa

Efeito Hall

Quântico Anômalo

2DEG em GaAs:

Aplicações em metrologia

Grafeno:

T ambiente!

N

e

h







1

2



4





N

e

h



Colapso atômico no grafeno