Grafeno bicamada 📖 Wikipedia

O grafeno de bicamada é um material que consiste em duas camadas de grafeno. Um dos primeiros relatos sobre o grafeno de bicamada ocorreu no artigo seminal de 2004 da revista Science escrito por Geim e colegas,^[1] no qual eles descreveram dispositivos "que continham apenas uma, duas ou três camadas atômicas".

O grafeno de bicamada pode existir na forma de empilhamento AB, ou de Bernal,^[2] onde metade dos átomos fica diretamente sobre o centro de um hexágono na folha de grafeno inferior, e metade dos átomos fica sobre um átomo, ou, menos comumente, na forma AA, na qual as camadas estão exatamente alinhadas.^[3] No grafeno com empilhamento de Bernal, os limites de macla (twin boundaries) são comuns; fazendo a transição do empilhamento AB para o BA.^[4] Camadas torcidas, onde uma camada é girada em relação à outra, também têm sido extensivamente estudadas.

Métodos de Monte Carlo quântico têm sido usados para calcular as energias de ligação do grafeno de bicamada com empilhamento AA e AB, que são 11,5(9) e 17,7(9) meV por átomo, respectivamente.^[5] Isto é consistente com a observação de que a estrutura com empilhamento AB é mais estável que a estrutura com empilhamento AA.

O grafeno de bicamada pode ser feito por esfoliação do grafite ^[6] ou por deposição química de vapor (CVD).^[7] Em 2016, Rodney S. Ruoff e colegas mostraram que o grafeno de bicamada de cristal único de grandes dimensões poderia ser produzido por deposição química de vapor ativada por oxigênio.^[8] Mais tarde no mesmo ano, um grupo coreano relatou a síntese de grafeno de bicamada com empilhamento AB de cristal único em escala de wafer.^[9]

Assim como o grafeno de monocamada, o grafeno de bicamada tem um bandgap nulo e, portanto, se comporta como um semimetal. Em 2007, pesquisadores previram que um bandgap poderia ser introduzido se um campo de deslocamento elétrico fosse aplicado às duas camadas: o chamado bandgap (ou hiato de energia) ajustável.^[10] Uma demonstração experimental de um bandgap ajustável no grafeno de bicamada ocorreu em 2009.^[6] Em 2015, pesquisadores observaram canais de condução de elétrons balísticos 1D nas paredes de domínio do grafeno de bicamada.^[11] Outro grupo mostrou que o bandgap de filmes de bicamada em carboneto de silício poderia ser controlado ajustando seletivamente a concentração de portadores.^[12]

Em 2014, pesquisadores descreveram a emergência de estados eletrônicos complexos no grafeno de bicamada, notadamente o efeito Hall quântico fracionário, e mostraram que isso poderia ser ajustado por um campo elétrico.^[13][14][15] Em 2017, a observação de um estado Hall quântico fracionário com denominador par foi relatada no grafeno de bicamada.^[16]

O grafeno de bicamada mostrou o potencial de realizar um condensado de Bose-Einstein de éxcitons.^[17] Os elétrons e os buracos (lacunas) são férmions, mas quando formam um éxciton, eles se tornam bósons, permitindo que a condensação de Bose-Einstein ocorra. Demonstrou-se teoricamente que condensados de éxcitons em sistemas de bicamada transportam uma supercorrente.^[18]

Pablo Jarillo-Herrero do MIT e colegas da Universidade Harvard e do Instituto Nacional de Ciência dos Materiais em Tsukuba, Japão, relataram a descoberta de supercondutividade no grafeno de bicamada com um ângulo de torção de 1,1° entre as duas camadas. A descoberta foi anunciada na Nature em março de 2018.^[19] As descobertas confirmaram as previsões feitas em 2011 por Allan H. MacDonald e Rafi Bistritzer de que a quantidade de energia que um elétron livre exigiria para tunelar entre duas folhas de grafeno muda radicalmente neste ângulo.^[20] A bicamada de grafeno foi preparada a partir de monocamadas esfoliadas de grafeno, com a segunda camada sendo girada manualmente para um ângulo definido em relação à primeira camada. Uma temperatura crítica de ${\displaystyle T_{c}=1.7K}$ foi observada com tais espécimes no artigo original (com artigos mais recentes relatando temperaturas ligeiramente mais altas).^[21]

O estudo de tais redes tem sido apelidado de "twistrônica" (twistronics) e foi inspirado por tratamentos teóricos anteriores de montagens em camadas de grafeno.^[22]

O grafeno de bicamada pode ser usado para construir transistores de efeito de campo ou transistores de efeito de campo de tunelamento,^[23][24][25] explorando o pequeno hiato de energia. No entanto, o hiato de energia é menor que 250 meV e, portanto, requer o uso de uma baixa tensão de operação (< 250 mV), que é pequena demais para obter um desempenho razoável para um transistor de efeito de campo,^[23] mas é muito adequada para a operação de transistores de efeito de campo de tunelamento, que de acordo com a teoria de um artigo de 2009 podem operar com uma tensão de operação de apenas 100 mV.^[25]

Em 2016, pesquisadores propuseram o uso do grafeno de bicamada para aumentar a tensão de saída de transistores de tunelamento (TT). Eles operam em uma faixa de tensão de operação menor (150 mV) do que os transistores de silício (500 mV). A banda de energia do grafeno de bicamada é diferente da maioria dos semicondutores porque os elétrons nas bordas formam uma (alta densidade) singularidade de van Hove. Isso fornece elétrons suficientes para aumentar o fluxo de corrente através da barreira de energia. Os transistores de grafeno de bicamada usam dopagem "elétrica" em vez de "química".^[26]

Em 2017, um grupo internacional de pesquisadores mostrou que o grafeno de bicamada poderia atuar como um condutor misto de fase única que exibia difusão de Li mais rápida que no grafite por uma ordem de magnitude.^[27] Em combinação com a rápida condução eletrônica das folhas de grafeno, esse sistema oferece condutividade tanto iônica quanto eletrônica dentro do mesmo material sólido de fase única. Isso tem implicações importantes para dispositivos de armazenamento de energia, como baterias de íons de lítio.

Pesquisadores da Universidade da Cidade de Nova Iorque mostraram que folhas de grafeno de bicamada sobre carboneto de silício tornam-se temporariamente mais duras que o diamante após o impacto com a ponta de um microscópio de força atômica.^[28] Isso foi atribuído a uma transição grafite-diamante, e o comportamento pareceu ser exclusivo do grafeno de bicamada. Isso pode ter aplicações em blindagem pessoal.

Processos de hibridização mudam as propriedades intrínsecas do grafeno e/ou induzem interfaces ruins. Em 2014, foi anunciada uma rota geral para obter grafeno não empilhado via crescimento catalítico fácil e modelado. O material resultante tem uma área de superfície específica de 1628 m² g⁻¹, tem condutividade elétrica e tem uma estrutura mesoporosa.^[29]

O material é feito com um modelo de nanofloco mesoporoso. Camadas de grafeno são depositadas no modelo. Os átomos de carbono acumulam-se nos mesoporos, formando protuberâncias que atuam como espaçadores para evitar o empilhamento. A densidade de protuberâncias é de aproximadamente 5,8×10¹⁴ m⁻². O grafeno é depositado em ambos os lados dos flocos.^[29]

Durante a síntese por CVD, as protuberâncias produzem grafeno de camada dupla intrinsecamente não empilhado após a remoção dos nanoflocos. A presença de tais protuberâncias na superfície pode enfraquecer as interações π-π entre as camadas de grafeno e, assim, reduzir o empilhamento. O grafeno de bicamada mostra uma área de superfície específica de 1628 m²/g, um tamanho de poro variando de 2 a 7 nm e um volume total de poro de 2,0 cm³/g.^[29]

O uso de grafeno de bicamada como material de cátodo para uma bateria de lítio-enxofre rendeu capacidades reversíveis de 1034 e 734 mAh/g a taxas de descarga de 5 e 10 C, respectivamente. Após 1000 ciclos, capacidades reversíveis de cerca de 530 e 380 mAh/g foram retidas a 5 e 10 C, com constantes de eficiência coulombiana de 96 e 98%, respectivamente.^[29]

Uma condutividade elétrica de 438 S/cm foi obtida. Mesmo após a infiltração de enxofre, a condutividade elétrica de 107 S cm/1 foi retida. A estrutura porosa única do grafeno permitiu o armazenamento efetivo de enxofre no espaço intercamadas, o que dá origem a uma conexão eficiente entre o enxofre e o grafeno e impede a difusão de polissulfetos no eletrólito.^[29]

A imagem Raman global hiperespectral é uma técnica precisa e rápida para caracterizar espacialmente a qualidade do produto.^[30] Os modos vibracionais de um sistema caracterizam-no, fornecendo informações sobre estequiometria, composição, morfologia, tensão e número de camadas. O monitoramento da intensidade dos picos G e D do grafeno (em torno de 1580 e 1360 cm⁻¹)^[31][32] fornece informações diretas sobre o número de camadas da amostra.

Foi demonstrado que as duas camadas de grafeno podem suportar uma incompatibilidade importante de tensão ou dopagem,^[33] o que, em última análise, deve levar à sua esfoliação.

A determinação quantitativa dos parâmetros estruturais do grafeno de bicamada — como rugosidade da superfície, espaçamentos inter e intracamadas, ordem de empilhamento e torção intercamadas — pode ser obtida utilizando a difração de elétrons 3D.^[34][35]

Referências