Introdução a Nanoeletrônica

Os dispositivos eletrônicos e os componentes embarcados nesses dispositivos estão ficando menores a cada ano. Isso foi impulsionado pela demanda do consumidor por dispositivos menores que tenham os mesmos recursos e desempenho, se não melhor, do que a tecnologia “mais volumosa” pré-existente. Neste texto exploraremos com mais detalhes como a nanoeletrônica não apenas reduz o tamanho dos dispositivos eletrônicos, mas também fornece o mesmo desempenho ou um desempenho aprimorado.

Uma introdução a Nanoeletrônica

Os materiais tradicionais só podem ir até certo ponto antes de chegarem a um nível em que não podem ficar menores. É aqui que entra a nanotecnologia, que permitiu o surgimento do campo da nanoeletrônica – que é quando os componentes eletrônicos são criados usando nanomateriais e são uma fração do tamanho dos componentes feitos de materiais convencionais “a granel” (bulk). Um exemplo de dispositivo nanoeletrônico é uma bateria baseada em grafeno. Este é um dispositivo em massa que usa nanomateriais, mas em comparação com baterias de íon de lítio (Li-ion), ele pode possuir até 5 a 6 vezes a densidade de energia e ainda ser menor do que seus equivalentes de íon de lítio. Outro exemplo – focando puramente em componentes eletrônicos nanométricos – são transistores feitos de nanotubos de carbono. Esses pequenos transistores vão além dos limites da tecnologia convencional e, por serem tão pequenos (mas eficientes o suficiente para funcionar bem), mais transistores podem ser instalados em circuitos e chips de computador, aumentando a velocidade dos dispositivos.

O uso de nanomateriais – isto é, materiais que têm entre 1 e 100 nanômetros de tamanho – tem muitas vantagens. Os nanomateriais não são apenas inerentemente pequenos (geralmente muito finos), o que pode ajudar a tornar os componentes menores em um determinado dispositivo eletrônico (o que também pode ajudar a reduzir o tamanho do próprio dispositivo eletrônico), eles também geralmente são muito eficientes. Por causa de seu tamanho reduzido, eles têm uma área de superfície relativa muito alta, que em muitos casos é muito ativa – o grafeno é o melhor exemplo de uma superfície ativa. A superfície do grafeno interage fortemente com seu entorno, seja através da condução de elétrons entre as superfícies ou da interação com estímulos / moléculas ambientais em mecanismos de detecção, entre outros.

A maioria dos dispositivos nanoeletrônicos é desenvolvida usando materiais 2D ou semicondutores, que são materiais muito ativos. Devido a essas propriedades, os nanomateriais podem fornecer eficiências elétricas tão altas, senão maiores, do que os materiais bulk usados ​​em componentes tradicionais, mas com a vantagem adicional de serem muito menores. Isso é especialmente positivo para nanomateriais condutores ou semicondutores que muitas vezes têm condutividades elétricas e mobilidades de portadores de carga – e junções mais eficientes no caso de semicondutores – que são muito maiores do que os materiais bulk. Além disso, muitos nanomateriais são inerentemente estáveis ​​a altas temperaturas, pressão e produtos químicos, que muitas vezes são necessários dependendo dos componentes em questão – com a estabilidade térmica sendo muito importante para quando os dispositivos esquentam.

Mas não são apenas os nanomateriais condutores que são eficientes. Embora os nanomateriais condutores de eletricidade recebam mais atenção, também existem muitos nanomateriais com isolamento elétrico que podem ser tão importantes para proteger certas áreas de um dispositivo nanoeletrônico. Na verdade, em alguns casos, heteroestruturas compostas de um “sanduiche” de uma camada de nanomaterial condutiva entre duas camadas de nanomateriais isolantes funcionam melhor, porque a condutividade – e a corrente elétrica subsequente – pode ser melhor direcionada (o que resulta em uma perda de energia elétrica menor). Outras propriedades dos nanomateriais incluem sua capacidade de perceber e utilizar fenômenos quânticos, que podem levar a correntes eletrônicas com menos perdas, pois há pouca ou nenhuma resistência quando os elétrons viajam entre regiões quânticas confinadas. Esses fenômenos também são os blocos de construção para o que será a próxima geração de tecnologias, ou seja, tecnologias quânticas. Portanto, existe uma grande variedade de materiais, com propriedades variadas que podem ser usados.

Além dos benefícios de propriedade, a forma como os nanomateriais são fabricados permite o desenvolvimento de componentes menores. A maioria dos componentes não nanomateriais deve ser fabricada usando uma abordagem top-down, que ocorre quando um material maior é dividido em estruturas menores. Mas há limites para o quão pequeno podemos ir, se a precisão estrutural deve ser mantida, especialmente se for uma arquitetura complexa. Os nanomateriais também podem ser feitos dessa maneira, mas se você quiser ter nanomateriais que são estruturalmente precisos, puros e muito pequenos, eles podem ser feitos usando uma abordagem bottom-up, que é o processo de criação de nanomateriais átomo por átomo. É uma abordagem mais controlada que permite que o tamanho dos componentes seja reduzido, enquanto os nanomateriais ativos são puros e arquitetonicamente projetados para se adequar à sua aplicação específica. Em muitos casos, os dois métodos podem ser usados ​​juntos, para primeiro criar os componentes nanoeletrônicos finos por meio de uma abordagem botton-up, seguida de padronização com uma gravação top-down ou abordagem de litografia.

Escopo da Nanoeletrônica

Então, o que se enquadra no escopo da nanoeletrônica? Além de ser uma versão menor da eletrônica, abrange desde componentes em nanoescala a tecnologia quântica, spintrônica e eletrônica molecular (ou seja, eletrônica de molécula única). Em termos dos componentes individuais reais que estão presentes na esfera da nanoeletrônica, existem muitos, já que a nanoeletrônica cobre tudo, desde armazenamento de energia e sistemas de geração de energia, a transistores, a circuitos flexíveis e imprimíveis, interruptores, fotodetectores, sensores, telas, memória sistemas de armazenamento, transmissores de rádio nanométricos e dispositivos quânticos – e há muitos mais entre eles, esses são apenas os componentes mais notáveis.

Todos esses dispositivos são feitos de diferentes nanomateriais, e os mesmos componentes podem ser feitos com nanomateriais muito diferentes, dependendo da eficiência desejada, facilidade de fabricação e custo. Também é seguro dizer que a nanoeletrônica faz uso da maioria das formas de nanomateriais, de materiais 2D e outras camadas de filme fino, a nanotubos, fulerenos, nanofios, nanopartículas e pontos quânticos.

Conclusão

O campo da nanoeletrônica tem crescido lentamente nos últimos anos e é a resposta à crescente demanda por eletrônicos menores, mas ainda mantendo um alto desempenho. Os componentes baseados em nanomateriais podem ser muito menores do que aqueles feitos de materiais tradicionais mais volumosos, o que ajuda a reduzir o tamanho geral do dispositivo eletrônico. Além disso, muitos nanomateriais são estáveis ​​na maioria dos ambientes, seja em um sensor dentro de um ambiente de processamento químico agressivo ou em um dispositivo eletrônico que libera muito calor residual para os componentes internos. Embora existam muitas áreas da nanoeletrônica, alguns dos sistemas mais amplamente estudados incluem armazenamento de energia inspirado em nanomaterial e sistemas de geração de energia, vários tipos de transistores nanométricos e moleculares, dispositivos optoeletrônicos e circuitos flexíveis / imprimíveis – onde os nanomateriais são frequentemente formulados em uma tinta e, assim, impressos. As aplicações futuras provavelmente incluirão várias tecnologias quânticas se puderem ser realizadas em um nível comercial, e provavelmente veremos um aumento na produção de componentes menores para sistemas de computação clássicos e tecnologias cotidianas.

Fonte da imagem de destaque: Vybi/Shutterstock.com

Artigo escrito originalmente por Liam Critchley para o blog da Mouser Electronics: An Introduction to Nanotechnology

Traduzido por Equipe Embarcados.

Para artigos como esse, acesse o link.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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Thayná Patricio
Thayná Patricio
29/09/2020 21:41

Muito interessante e realmente esse tem sido um grande avanço. Alguns componentes de nanoeletrônica são até melhores que os componentes “normais”, um exemplo disso são os LEDs.

Jonathan Drumond
Jonathan Drumond
28/09/2020 16:58

Interessante saber que a nano tecnologia já está avançando para esse lado da ciência. Isso vai ser muito útil. Já fico imaginando aplicações para isso, seja na medicina ou na automação. Gosto de pensar como seria a comunicação entre dois componentes/dispositivos nanoetronicos. Outra coisa legal é ver que o carbono ta de fato ganhando seu espaço como semicondutor, ja que ele é da mesma família do tão famoso silício. ótimo artigo!

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