Momento telefonica

Grafeno: a folha mais
fina do mundo

Tatiana G. Rappoport
Instituto de Física - UFRJ
http://tinyurl.com/rappoport
@tgrappoport

1

Wednesday, January 19, 2011 1

Porque os físicos se
O que é?
interessam tanto

Grafeno

Para que serve?

Campus Party BR 2011 @tgrappoport Tatiana G. Rappoport 2


Outubro de 2010



Outubro de 2010 Big Bang Theory S3E14
02/10
The Einstein Approximation



Mas nossa estória começa em 2000...
Andre Geim ganhava o Ig Nobel
de Física por levitar um sapo



Experimentos de 6 a à noite
Experimentos simples, novos e sem
compromisso em áreas de pesquisa diferentes
da que normalmente trabalhamos



Experimentos de 6 a à noite
Experimentos simples, novos e sem
compromisso em áreas de pesquisa diferentes
da que normalmente trabalhamos

2002-E o graﬁte? Conhecemos
há tantos anos mas não sabemos
nada sobre camadas bem ﬁnas
desse material



Como obter folhas finas de grafite?

Em vez de tentar fabricar folhas finas, arrancar folhas
finas de um pedaço de grafite



O que são graﬁte e grafeno?
➡Cristais feitos de átomos de Carbono
Graﬁte



O que são graﬁte e grafeno?
➡Cristais feitos de átomos de Carbono
Graﬁte

Grafeno: uma única folha


Escala e visibilidade

-Eu 1,62 m
1m OH

-Formiga ~5 mm
1mm
MO
-cabelo ~100 μm
1µm
ME -DNA ~2 nm
1nm
-molécula de água ~0.3 nm



Escala e visibilidade

-Eu 1,62 m
1m OH
1mm= 10-3m -Formiga ~5 mm
1mm
1µm= 10-6m MO
-cabelo ~100 μm
1µm
1mm= 10-9m ME -DNA ~2 nm
1nm
-molécula de água ~0.3 nm



Do graﬁte pro grafeno: método do durex



Do graﬁte pro grafeno: método do durex

Ozyilmaz' Group, Graphene Research, National University of Singapore



Do graﬁte para o grafeno



Do graﬁte para o grafeno

0.1 mm



Sobre óxido de silício
Espessura relacionada à cor 1-5 camadas

10-30 camadas

100 camadas

0.1 mm

microscópio ótico Imagem Grupo de Manchester



Achando o grafeno

2004
0.1 mm

1 µm

1 µm = 0.001 mm


Grafeno em detalhes

Microscópio ótico

2 µm



Grafeno em detalhes
Microscópio eletrônico
Microscópio ótico
de varredura

2 µm 2 µm



!"#$%&'()*+,+%-,
Grafeno em detalhes
Microscópio ótico
de varredura
topography B=0 spectroscopy B

2 µm
Linear DOS 2 µm

de tunelamento
dI/dV (a.u.)
0.8

0.6

0.4

1 nm 0.0 T

1nm= 0.001µm
0.2

0.0
Campus Party BR 2011 @tgrappoport -200 Tatiana0G.
-100 Rappoport
100 200 13

Wednesday, January 19, 2011 Sample bias (mV) 13

!"#$%&'()*+,+%-,
topography
Grafeno em detalhes
Microscópio ótico
de varredura
topography B=0 spectroscopy B

2 µm
Linear DOS 2 µm

de tunelamento
dI/dV (a.u.)
0.8

0.6

0.4
Imagem Grupo de Rutgers

1 nm 0.0 T

1nm= 0.001µm
0.2

0.0
Campus Party BR 2011 @tgrappoport -200 Tatiana0G.
-100 Rappoport
100 200 13

Wednesday, January 19, 2011 Sample bias (mV) 13

Outras formas
Grafeno



Outras formas
Grafeno

Fulereno

R.F. Curl, H.W. Kroto, R. E Smalley 1985
Prêmio Nobel 1996


Outras formas
Grafeno

Fulereno Nanotubo

R.F. Curl, H.W. Kroto, R. E Smalley 1985
Prêmio Nobel 1996 Sumio Iijima 1991


Mas por que os físicos se interessaram tanto?

15


Propriedades
físicas muito
interessantes

O que medir? Como medir?



Propriedades
físicas muito
interessantes


É preciso nanotecnologia



Propriedades
físicas muito
interessantes


É preciso nanotecnologia

Propriedades elétricas



Fazendo os contatos elétricos

2 µm

Imagem de microscópio eletrônico de varredura (MEV)




2 µm

Design




2 µm

Design
Dispositivo



Dispositivo

contatos de Ouro

SiO2
Si
grafeno


Elétrons no grafeno




Grafeno conduz muito bem (como um metal)




Mas cargas podem ser controladas como num
semicondutor




semicondutor
Mobilidade recorde de 1000000 cm2/(V·s) em grafeno
suspenso a baixa temperatura




semicondutor
Mobilidade recorde de 1000000 cm2/(V·s) em grafeno
suspenso a baixa temperatura
Mobilidade de 50000 cm2/(V·s) a temperatura
ambiente
Si: < 2000 cm2/(V·s)

Maior que em qualquer semicondutor



Em materiais, elétrons podem se comportar como se
tivessem massa maior ou menor do que a que eles
tem quando livres



Em materiais, elétrons podem se comportar como se
tivessem massa maior ou menor do que a que eles
tem quando livres
No grafeno, eles se comportam como se não
tivessem massa
Partículas relativísticas sem massa
Férmions de Dirac
Neutrinos são Férmions de Dirac
Neutrinos viajam a v=c, elétrons no grafeno têm
v menor


Como sabemos?

Efeito Hall

1879 Edwin H. Hall
http://www.magnet.fsu.edu/education/tutorials/java/index.html


Efeito Hall
Elétrons em semicondutores e metais

ρxy

B(T)
Inclinação da curva nos fornece número de elétrons/Volume
Usado para caracterizar semicondutores


Efeito Hall quântico
mas a baixa T e em 2D...
ρxy =h/(e2N)

T=-270oC
N é um número inteiro!

h e e são constantes



ρxy =h/(e2N)

T=-270oC
1 h
←
1 h 2 e2 h e e são constantes
←
3 e2



ρxy =h/(e2N)

T=-270oC
1 h
←
1 h 2 e2 h e e são constantes
←
3 e2
Efeito Quântico!

Descoberto em 81 por Klaus von Klitzing, Nobel em 85
Resistividade é quantizada!
Usado em metrologia como medida padrão



T=-270oC

1 h
←
1 h 2 e2
←
3 e2

Elétrons em semicondutores
ρxy=h/(e2N)



16 Z. Jiang et al. / Solid State Communication

T=-270oC

1 h
←
1 h 2 e2
←
3 e2

Fig. 2. Quantized magnetoresistance and Hall resistance of a graphene device Fig. 3. Th
where n ≈ 1012 cm−2 and T = 1.6 K. The horizontal lines correspond to the

Elétrons em semicondutores Elétrons no grafeno
B = 9 T,
inverse of the multiples e2 / h. The QHE in the electron gas is demonstrated by integer mu
at least two quantized plateaus in R x y with vanishing R x x in the corresponding
magnetic field regime.
symmet

ρxy=h/(e2N) ρxy=h/(4e2(N+1/2))
where the QHE manifests itself. Fig. 2 shows Rx y and Rx x
of a typical high mobility (µ > 10,000 cm2 /V s) graphene
be unde
spectrum
sample as a function of magnetic field B at a fixed gate As in
voltage Vg > VDirac . The overall positive Rx y indicates that the normal
contribution is mainly from electrons. At high magnetic field, charge c
Rx y (B) exhibits plateaus and Rx x is vanishing, which are the in graph
Campus Party BR 2011 hallmark of the QHE. At leastG. Rappoport plateaus with
Tatiana two well-defined 2+1d
@tgrappoport 26
values (2e 2 / h)−1 and (6e2 / h)−1 , followed by a developing which th
Wednesday, January 19, 2011 (10e2 / h)−1 plateau, are observed before the QHE features 26

Partículas relativísticas
sem massa
16 Z. Jiang et al. / Solid State Communication

1 h
→
T=-270oC 2e 2

1 h 1 h
←
1 h 2 e2 6 e2
←
3 e2 1 h
10 e2

Fig. 2. Quantized magnetoresistance and Hall resistance of a graphene device Fig. 3. Th
where n ≈ 1012 cm−2 and T = 1.6 K. The horizontal lines correspond to the

Elétrons em semicondutores Elétrons no grafeno
B = 9 T,
inverse of the multiples e2 / h. The QHE in the electron gas is demonstrated by integer mu
symmet

ρxy=h/(e2N) ρxy=h/(4e2(N+1/2))
where the QHE manifests itself. Fig. 2 shows Rx y and Rx x
of a typical high mobility (µ > 10,000 cm2 /V s) graphene
be unde
spectrum
sample as a function of magnetic field B at a fixed gate As in
normal
Temperatura ambiente!
voltage Vg > VDirac . The overall positive Rx y indicates that the
contribution is mainly from electrons. At high magnetic field, charge c
Rx y (B) exhibits plateaus and Rx x is vanishing, which are the in graph
Campus Party BR 2011 hallmark of the QHE. At leastG. Rappoport plateaus with
Tatiana two well-defined 2+1d
@tgrappoport 26
values (2e 2 / h)−1 and (6e2 / h)−1 , followed by a developing which th
Wednesday, January 19, 2011 (10e2 / h)−1 plateau, are observed before the QHE features 26

Efeito Hall quântico no grafeno
16
Partículas relativísticas Z. Jiang et al. / Solid State Communications 143 (2007) 14–19

sem massa

Einstein Bohr
Efeito Quântico!
Fig. 2. Quantized magnetoresistance and Hall resistance of a graphene device Fig. 3. The Hall resistance as a function of gate voltage
where n ≈ 1012 cm−2 and T = 1.6 K. The horizontal lines correspond to the B = 9 T, measured at 1.6 K. The horizontal lines corre
inverse of the multiples e2 / h. The QHE in the electron gas is demonstrated by
Temperatura ambiente!
integer multiples of e2 / h values.

symmetry of graphene [1–3]. The experimen
where the QHE manifests itself. Fig. 2 shows Rx y and Rx x be understood from the calculated LL spec
of a typical high mobility (µ > 10,000 cm2 /V s) graphene spectrum.
sample as a function of magnetic field B at a fixed gate As in other 2D systems, application of a
voltage Vg > VDirac . The overall positive Rx y indicates that the normal to the graphene plane quantizes the i
Campus Party BR 2011 contribution is mainly from electrons. At high magneticTatiana G. Rappoport LLs. The LL formation
field, charge carriers into
27
@tgrappoport in graphene has been studied theoretically u
Rx y (B) exhibits plateaus and Rx x is vanishing, which are the
Wednesday, January 19, 2011 hallmark of the QHE. At least two well-defined plateaus with 2 + 1 dimensional Quantum Electro Dynam 27

Não aguento mais toda
essa física! Que sono..
Pra que serve esse tal de
grafeno?



Outras propriedades

29


É transparente



É transparente

Imagem Y. P. Chen, Purdue University



É ﬂexível

Imagem Rutgers

Camada de grafeno depositada em polímero ﬂexível



É ﬂexível

Imagem Rutgers Imagem SKKU Korea

Camada de grafeno depositada em polímero ﬂexível



Pode ser dobrado e esticado



Pode ser dobrado e esticado

Imagem Manchester



Grafeno
É excelente condutor
É transparente
É ultra-resistente
É ﬂexível

Para que serve?



Grafeno
É transparente
É ultra-resistente
É ﬂexível

Para que serve?

E quais são as limitações



Transistores na eletrônica
Feitos de semicondutores
Fundamentais em todos os circuitos eletrônicos

D Porta controla corrente
P entre entrada (fonte) e
saida (dreno)
F

Ampliﬁcação
Chaveamento (liga-desliga)



A vida antes do transistor

ENIAC 1946



A vida antes do transistor

ENIAC 1946

Bell Labs 1948
Prêmio Nobel de Física 1956
Shockley, Bardeen, Brattain



Circuitos integrados
Permitiu grande revolução na eletrônica
Circuitos desenhados em um único semicondutor



Permitiu grande revolução na eletrônica
Circuitos desenhados em um único semicondutor

1958 Texas Instruments
Prêmio Nobel de Física 2000
J. S. Kilby



Fazendo um chip

http://nobelprize.org/educational/physics/integrated_circuit/history/index.html


Método do durex não pode
ser usado em larga escala
e produz folhas pequenas

Novos métodos de fabricação



Método do durex não pode
ser usado em larga escala
e produz folhas pequenas


Epitaxia por feixe Deposição Química
Outros
molecular de Vapores (CVD)



39 inch printer

e
b
LETTERS NATURE NANOTECHNOLOGY DOI: 10.1038/NNANO.2010.132

After
Graphene on
Polymer support heating polymer support Released
polymer support

Before
heating
Target substrate
Graphene on Cu foil Cu etchant Graphene on target

Figure 1 | Schematic of the roll-based production of graphene films grown on a copper foil. The process includes adhesion of polymer supports, copper
etching (rinsing) and dry transfer-printing on a target substrate. A wet-chemical doping can be carried out using a set-up similar to that used for etc
hing.
c f
Junho de 2010
a d
Stencil mask

8 inch
1st
30 2nd
inc
h

Screen
39 inch printer

b e

After
Nature Nanotecnology 2010 heating

e roll-based production of graphene films. a, Copper foil wrapping around a 7.5-inch quartz tube to be inserted into a
Before
age shows the stage 2011
Campus Party BR in which the copper foil @tgrappoport 4 and H2 gases at Tatiana G. Rappoport Roll-to-roll transfer
heating reacts with CH high temperatures. b, 39

al releaseJanuary 19, 2011PET film at 120 8C. c, A transparent ultralarge-area graphene film transferred on a 35-inch PET she
Wednesday, tape to a 39

2
39 inch printer etching
(short)

e
b
LETTERS NATURE NANOTECHNOLOGY DOI: 10.1038/NNANO.2010.132

After
Polymer support heating
Graphene on
polymer support
a Released b
polymer support

Before
heating >10 la
Target substrate
Graphene on Cu foil Cu etchant Graphene on target

Mas....
Figure 1 | Schematic of the roll-based production of graphene films grown on a copper foil. The process includes adhesion of polymer supports, copper
etching (rinsing) and dry transfer-printing on a target substrate. A wet-chemical doping can be carried out using a set-up similar to that used for etc
hing.
c f 5 µm 5 µm
4–5
Junho de 2010
a d
Stencil mask
c d
8 inch
1st
30 2nd
inc
h 2 µm

Screen
39 inch printer

b e
5 µm 5 µm

After e
Nature Nanotecnology 2010 heating
>4 layers
G
e roll-based production of graphene films. a, Copper foil wrapping around a 7.5-inch quartz tube to be inserted layersa
3 into
nsity (a.u.)

Before
age shows the stage 2011
Campus Party BR in which the copper foil @tgrappoport 4 and H2 gases at Tatiana G. Rappoport Roll-to-roll Bilayer
heating reacts with CH high temperatures. b, transfer
39
Monolaye
al releaseJanuary 19, 2011PET film at 120 8C. c, A transparent ultralarge-area graphene film D
Wednesday, tape to a transferred on a 35-inch PET she
39

NATURE | Vol 457 | 5 February 2009 LETTERS

a Patterned Ni layer (300 nm) Ni/C layer Figure 1 | Synthesis, etching and
CH4 /H2/Ar transfer processes for the large-
Ar
scale and patterned graphene
~1,000 °C films. a, Synthesis of patterned
Cooling
Ni ~RT graphene films on thin nickel layers.
Si SiO2 (300 nm) b, Etching using FeCl3 (or acids)
and transfer of graphene films using
a PDMS stamp. c, Etching using
b PDMS/graphene/Ni/SiO2/Si PDMS/graphene Graphene on a substrate
BOE or hydrogen fluoride (HF)
FeCl3 (aq)
solution and transfer of graphene
or acids
films. RT, room temperature
(,25 uC).
Ni-layer Stamping
etching
Downside contact
(scooping up)
c Graphene/Ni/SiO2/Si Floating graphene/Ni Floating graphene

HF/BOE HF/BOE

SiO2-layer Ni-layer
etching etching
(short) (long)

a
SKKY/ Columbia U.,Nature 2009
b

a b c

>10 layers 3 layers

0.34 nm

5 µm 5 µm
4–5 layers Bilayer
5 mm
c d >5
Campus Party BR 2011 4
@tgrappoport
3
d e Tatiana G. Rappoport 40
2
40


Métodos novos ainda não produzem folhas de grafeno
homogêneas
Importante para mobilidade alta ➜ transistores
Não tão importante para outras aplicações

É transparente
É ultra-resistente
É ﬂexível



Aplicações
Filme transparente e condutor para LCD, touch screen,
células solares e qualquer coisa que precise de um
contato transparente



Aplicações

Atualmente óxido de Índio dopado com Estanho (ITO)
Índio é raro, caro e difícil de reciclar
Substituição irá baratear produção
Produção será mais limpa



Aplicações

Atualmente óxido de Índio dopado com Estanho (ITO)
Índio é raro, caro e difícil de reciclar
Substituição irá baratear produção
Produção será mais limpa

Produção em larga escala para substituição
do ITO nos próximos anos


Touch Screen de grafeno
Protótipo da Samsung, junto com pesquisadores da SKKU



Transistores de grafeno
Fevereiro de 2010



Fevereiro de 2010
Protótipos operam a 100-200 GHz
Devem chegar facilmente a 1THz
Tamanho de alguns nm



Fevereiro de 2010
Transistores para eletrônica analógica
Substituição de transistores de GaAs
para RF ➜ uso militar, comunicações



Fevereiro de 2010
Transistores para eletrônica analógica
Substituição de transistores de GaAs
para RF ➜ uso militar, comunicações

Produção nos próximos 5 anos


Transistores de um único elétron

F P D D
P

F



Transistores de um único elétron

F P D D
P

F
Manchester 2008
P
F D



involved
scale req
distance,
Transistores de um único elétron which ag
For exam
40 meV,
F P D D Final
QDs an
B P decreasi
of the

)
conducti
F them do

(
transisto
device
Manchester 2008 with no
P
( (
over an
C
~1 nm but then
rather h

F D observe
(13), wh
This va
measure
shows th
series [a
nanoribb
Fig. 4. Electron transport through nm-scale
graphene devices. CB peaks (A) and diamonds (B) the exac
for a QD with an estimated size ~ 15 nm. (C) Electron certain a
Campus Party BR 2011 @tgrappoport Tatiana G. Rappoport Also, the
45
transport through a controllably narrowed device
Wednesday, January 19, 2011 versus z
45

involved
scale req
distance,
Transistores de um único elétron which ag
For exam
40 meV,
F P D D Final
QDs an
B P decreasi
of the

)
conducti
F them do

(
transisto
device
Manchester 2008 with no
P
( (
over an
C
~1 nm but then
rather h

F D
Ainda muito trabalho pela frente observe
(13), wh
para produção em grande escala! This va
measure
shows th
series [a
nanoribb
Fig. 4. Electron transport through nm-scale
graphene devices. CB peaks (A) and diamonds (B) the exac
for a QD with an estimated size ~ 15 nm. (C) Electron certain a
Campus Party BR 2011 @tgrappoport Tatiana G. Rappoport Also, the
45
transport through a controllably narrowed device
Wednesday, January 19, 2011 versus z
45

Outras aplicações



Outras aplicações

Sensores de gás



Outras aplicações
Fotodetectores

Sensores de gás
IBM



Outras aplicações
Fotodetectores

Sensores de gás
IBM

Fluorografeno
(teﬂon)



Outras aplicações
Fotodetectores

Sensores de gás
IBM

Ultracapacitores

Fluorografeno
(teﬂon)



modulation, t, as a perturbation (t %
raightforward to show [10] that, for smooth
Outras aplicações
the low energy Hamiltonian is

2 3
Á p À v1F A 0
4
Éy Fotodetectores 5É;
0 À Á p þ v1F A
(1)
Sensores de gás
valleys K and K0 in the Brillouin zone, with
IBM
Eletrônica
origami
Ultracapacitores

nline). (a) Lattice orientation considered in the Fluorografeno
onds have perturbed hopping. (b) Artistic depic- (teﬂon)
te (S) patterned with folds (F), trenches, dots and
which restsBR 2011
Campus Party a graphene sheet (G).
@tgrappoport Tatiana G. Rappoport 46


Outras aplicações

2 3
Á p À v1F A 0
4
0 À Á p þ v1F A
(1)
Sensores de gás
Óxido de
IBM
Eletrônica grafeno
origami
Ultracapacitores

which restsBR 2011


Outras aplicações

2 3
Á p À v1F A 0
4
0 À Á p þ v1F A
(1)
Sensores de gás
Óxido de
IBM
Eletrônica grafeno
origami
Ultracapacitores

spintrônica
which restsBR 2011


Outras aplicações

2 3
Á p À v1F A 0
4
0 À Á p þ v1F A
(1)
Sensores de gás
Óxido de
IBM
Eletrônica A grafeno
brincadeira está apenas
origami
começando :)
Ultracapacitores

spintrônica
which restsBR 2011


Grafeno no Brasil
E outros grupos!

UFMG/CDNT
Fabricação e
caracterização

INMETRO
Pesquisa teórica na caracterização
UFMG/UFRJ/UFF/
USP/UFC/UNIFRA UNICAMP- fabricação

UFPR- fabricação de
eletrodos com grafeno


Brasileiros no mundo do grafeno



Samsung


Obrigada pela atenção

@tgrappoport
Samsung


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