grafeno completo

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Matéria: Eletrônica I Tema: Semicondutores - Grafeno ALUNO: THIAGO GABRIEL DO NASCIMENTO 8208905475 Turno: Noturno Prof.º: Rafael Abreu Curso: Engenharia Elétrica - Período: 5º Turma: B

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Page 1: Grafeno Completo

Matéria: Eletrônica I

Tema: Semicondutores - Grafeno

ALUNO: THIAGO GABRIEL DO NASCIMENTO RA: 8208905475

Turno: Noturno

Prof.º: Rafael Abreu

Curso: Engenharia Elétrica - Período: 5º Turma: B

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SUMÁRIO

RESUMO------------------------------------------------------------------------------------------- 1

ORIGEM HISTÓRICA--------------------------------------------------------------------------- 2

O QUE É O GRAFENO-------------------------------------------------------------------------- 3

MÉTODO DE PRODUÇÃO -------------------------------------------------------------------- 4

PASSOS PARA OBTENÇÃO ------------------------------------------------------------------ 5

APLICAÇÕES ATUAIS E FUTURAS --------------------------------------------------------6

CONCLUSÃO -------------------------------------------------------------------------------------8

REFERÊNCIAS -----------------------------------------------------------------------------------9

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RESUMO

O presente trabalho tem por objetivo apresentar o semicondutor “Grafeno”, o material mais forte e impermeável do mundo obtido no ano de 2004 e que substituirá o silício por possuir propriedades elétricas superiores. O grafeno promete aplicações futuras em nanotecnologia que não eram concebíveis antes da sua descoberta. Além disso, é flexível e 200 vezes mais resistente que o aço, com alta condutividade térmica e elétrica.

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ORIGEM HISTÓRICA

O silício é, atualmente, muito utilizado na indústria eletrônica, como material básico para a produção de chips, células solares e diversas variedades de circuitos eletrônicos, por possuir boa condutividade elétrica. Com o constante avanço da tecnologia, houve um aumento da exploração das propriedades do silício, chegando a um ponto em que se torna mais difícil manipulá-lo para atender às necessidades e a crescente demanda de tecnologia no século XXI.

Em 2004, os pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov, descobriram a obtenção do grafeno como substituto do silício. Eles obtiveram o grafeno quando realizavam a limpeza da superfície de uma placa de grafite, desgastando-a aos poucos em uma fita adesiva. Quando analisaram os resíduos do grafite que ficaram na fita em um microscópio atômico, viram que esses resíduos mantiveram a estrutura cristalina hexagonal do grafite e que possuíam também um peculiar arranjo simétrico de elétrons que aumentava sua condutividade. No grafeno, os elétrons comportam-se como se não tivessem massa. Testes mostraram que ele funcionava muito bem como transistor. A partir daí abre-se uma nova possibilidade para aperfeiçoar as tecnologias contemporâneas, visto que o novo material conduz elétrons 60 vezes mais rápido que o silício. Além das propriedades elétricas, as mecânicas chamam bastante atenção: É o material mais impermeável do mundo, podendo conter até o gás hélio, que possui um átomo muito leve e pequeno. É, também, o material mais forte já descoberto que, dentro de suas proporções, pode superar o diamante. Já existem pesquisas para utilizar nanotubos de carbono (camadas de grafeno dispostas em pequenos tubos) como estruturas na construção civil.

A escolha do tema se dá pela versatilidade do grafeno, este material recém-descoberto e que promete abrir as portas para uma revolução tecnológica no mundo.

Andre Geim e Konstantin Novoselov ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2010 pelas descobertas relacionadas com o grafeno.

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O QUE É O GRAFENO

O grafeno é um cristal formado por vários átomos de carbono em uma malha hexagonal, dispostos numa única camada, o que o torna desprovido de espessura. Por ser um condutor flexível, transparente e mecanicamente resistente, o grafeno poderá no futuro, ser utilizado em telas ultrafinas, flexíveis e sensíveis ao toque para tevê, computadores, celulares e livros digitais. Transitores de grafeno seriam mais rápidos que os de silício e chips com maior capacidade de processamento poderiam ser fabricados. O grafeno é considerado o elemento estrutural básico de alguns alótropos de carbono, incluindo os fulerenos, os nanotubos de carbono e o grafite.

Fulereno Nanotubo Grafite

O nome “grafeno” surgiu da junção dos termos “grafite” e “alqueno”, uma vez que o grafite consiste em várias folhas de grafeno empacotadas (HAMILTON & BARRON, 2010). Descrições como “camada de grafite”, “camada de carbono” ou “folha de carbono” têm sido ainda utilizadas para descrever o termo grafeno, porém se considera correto utilizar este termo apenas quando reações, relações estruturais ou outras propriedades de camadas individuais são discutidas e/ou estudadas.

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TEORIA DE OPERAÇÃO DO GRAFENO

Uma das técnicas para a produção do grafeno é através da esfoliação do grafite. Esta pode produzir materiais livres de defeitos com propriedades excepcionais, porém não é possível produzir quantidades significativamente grandes para viabilizar sua utilização como reforço em nanocompósitos. Portando, o desenvolvimento de métodos eficientes que consigam promover sua produção em larga escala para sua plena utilização em aplicações industriais se tornou necessário. Atualmente, o método mais utilizado para a produção de grafeno em quantidades maiores se dá através da redução do óxido de grafite. O grafite possui uma estrutura lamelar, na qual folhas de grafeno estão empacotadas e unidas por forças de Van Der Waals (ALLEN et al, 2010). Vencer estas forças para isolar essas folhas é o maior obstáculo na produção do grafeno por esfoliação mecânica (HAMILTON & BARRON, 2010). Entretanto, em 2004, pesquisadores desenvolveram um método para isolar essas folhas de grafeno a partir do grafite, o chamado método da fita adesiva.

Este método consiste em remover camadas de um floco de grafite utilizando uma fita adesiva como agente de esfoliação mecânica, após várias repetições de movimentos de “cola e descola” com a fita. Esta fita adesiva é então pressionada contra um suporte de dióxido de silício (SiO2), a fim de que estas camadas sejam transferidas para este suporte (NOVOSELOV et al, 2004). Embora os fragmentos presentes na fita possam ter mais do que uma camada de espessura, as forças de Van Der Waals, que também atuam entre o fragmento e o suporte, podem promover o isolamento de apenas uma única camada quando a fita é removida (NOVOSELOV et al, 2004; ALLEN et al, 2010).

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PASSOS PARA OBTENÇÃO DA AMOSTRA

1 – Estender uma tira de fita adesiva sobre uma mesa devidamente limpa

2 - Com o auxílio de uma pinça esterilizada, colocar um pedaço de grafite de boa qualidade sobre a fita

3 – Dobrar a fita adesiva sobre o grafite

4 – Desdobrar a fita lentamente para que camadas de grafeno possam ser liberadas.

5 – Repetir o passo “4” até que se forme uma camada fina.

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APLICAÇÕES ATUAIS E FUTURAS

A partir desta descoberta, foi possível estudar as propriedades do grafeno que se revelou um material extraordinário:

Os átomos e carbono formam uma rede hexagonal, quase sem defeitos; no laboratório de Geim já se produziram flocos de grafeno com dimensões de 0,1mm. 

Os electrões propagam-se no grafeno, sem serem desviados por colisões, em distâncias enormes, muito maiores que na maioria dos semicondutores; isso permitirá transistores muito mais rápidos;

Devido à estrutura hexagonal do grafeno, os electrões, portam-se como se não tivessem massa, isto é, como neutrinos. Neutrinos são partículas que se deslocam sempre à velocidade da luz, como os fotões, mas que têm spin semi-inteiro como os electrões. Há uma variedade de fenômenos relativistas que podem ser estudados experimentalmente no grafeno.

Uma das conseqüências da natureza relativista do electrões no grafeno é a absorção de 2% da luz incidente normalmente a uma folha de grafeno; isso torna uma folha de espessura de um átomo visível a olho nu!

Com todas essas impressionantes propriedades, é possível imaginar uma grande gama de aplicações para o grafeno, podendo variar desde transistores até reforço de materiais compósitos.

Vamos citar algumas destas aplicações:

Atualmente, as aplicações mais promissoras para o grafeno estão na sua utilização em dispositivos eletrônicos, tornando o grafeno o possível sucessor do silício na fabricação de eletrônicos. Entretanto, as incríveis propriedades mecânicas e de barreira tornam o grafeno muito promissor como reforço na fabricação de nanocompósitos, podendo melhorar as propriedades de polímeros termoplásticos e termorrígidos.

Não é de hoje que o grafeno tem se mostrado uma espécie de “super material”, podendo ser aplicado nas mais diversas e loucas tecnologias – como em roupas eletrônicas, semicondutores de altíssimo desempenho, destilação de vodka e até no

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desenvolvimento da invisibilidade. A mais nova capacidade desse elemento é transformar água salgada em potável.

Esse processo, criado por pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology (MIT), consiste na transição da água salgada através de um filtro de grafeno extremamente fino, no qual somente as moléculas de água conseguem passar. Assim, o sal fica retido nesse filtro. A nova técnica apresenta resultados de pureza duas a três vezes melhores do que os métodos adotados atualmente.

Nova geração de baterias com grafeno pode durar até dez vezes mais, Pesquisadores da Universidade Northwestern, situada nos Estados Unidos, afirmam ter criado um novo tipo de bateria de íons de lítio, a qual é capaz de durar até dez vezes mais que os modelos atuais, presentes em celulares e notebooks. De acordo com os dados da pesquisa, o aumento de dez vezes é válido também para a velocidade de recarga do componente. Harold Kung, professor encarregado pelo projeto, explica que a diferença das novas baterias está no uso do grafeno - um componente que também está sendo estudado para uso em processadores, devido às altas velocidades que ele suporta.

O grafeno é disposto em inúmeras camadas dentro do componente, cada uma delas tendo apenas um átomo de espessura. Os íons de lítio são colocados entre o grafeno, com o diferencial de que agora têm acesso a atalhos dentro da estrutura, o que agiliza todo o processo de recarga.

Grafeno pode deixar sua calça sempre limpa. Pesquisadores da Universidade de Vanderbilt, nos Estados Unidos, desenvolveram novas maneiras de se aplicar o grafeno, que pode funcionar como um forte repelente ou forte absorvente de líquidos.

Camadas transparentes do material podem ser aplicadas em tecidos. O contato com o líquido pode, então, formar uma fina camada, espalhando o que foi derrubado, mas não permitindo que ele acesse o tecido.

Por outro lado, também é capaz de repelir completamente o líquido. Sua utilização pode ser em roupas, pára-brisas de carros e em óculos, para que nunca fiquem sujos.

Moduladores de grafeno permitem conexões com velocidade que ultrapassa os 100 terabits. Cientistas da Universidade de Berkeley, na Califórnia, desenvolveram um novo processo que usa o grafeno como forma de acelerar a velocidade alcançada por conexões de internet. A equipe, liderada pelo professor de engenharia Xiang Zhang, construiu um modulador capaz de elevar a velocidade da transmissão de dados em taxas que chegam a 100 terabits. A novidade é constituída por um pequeno dispositivo ótico revestido por uma camada de grafeno, que serve como forma de desligar e ligar uma série de luzes. Esse princípio atua como base de funcionamento para moduladores de rede, responsáveis por controlar o envio de pacotes de dados – quanto maior a velocidade do processo, maior o número de informações transmitidas.

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O material também consegue trabalhar em frequências de até 500 GHz (número surpreendente comparado ao 1 GHz dos moduladores convencionais), e o tamanho

diminuto permite o uso de cabos muito mais finos que os atuais. Segundo Xiang Zhang, a nova tecnologia deve permitir que, em breve, a transferência de vídeos 3D em alta

definição para a tela de smartphones se torne mera questão de segundos.

CONCLUSÃO

O grafeno é uma nanoestrutura de carbono, com a espessura de um átomo. Um novo e prodigioso material, com propriedades extraordinárias. Possui características eléctricas, ópticas, mecânicas e térmicas sem igual. Além disso, é transparente, sendo necessário ser colocado sobre uma fina placa de óxido de silício para ser visível, é a substância mais resistente que se conhece, sendo mais forte que o aço.  Em conclusão o grafeno abriu novas avenidas ao nosso conhecimento de ciência fundamental e promete aplicações futuras em nanotecnologia que não eram concebíveis antes da sua descoberta.

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REFERÊNCIAS

http://info.abril.com.br/noticias/ciencia/entenda-o-grafeno-o-substituto-do-silicio-02082011-33.shl

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cientistas-domam-eletrons-grafeno-molecular&id=010165120320

http://arsphysica.wordpress.com/2011/03/17/grafeno-alem-da-nanoeletronica/

http://pt.wikipedia.org/wiki/Sil%C3%ADcio

http://www.tecmundo.com.br/grafeno/

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