Uma equipe de pesquisadores das universidades Clemson e College of Charleston demonstrou que a introdução precisa de defeitos em uma única camada de grafeno cria um ponto crítico de aproximadamente 20 nm entre os defeitos, no qual os elétrons deixam de se mover livremente e passam a ficar presos por interferência quântica. O resultado, publicado na revista ACS Nano, mostra que esse fenômeno — conhecido como localização de Anderson — eleva de forma acentuada o desempenho termoelétrico do material.
Para chegar ao resultado, os cientistas bombardearam amostras de grafeno obtidas por deposição química de vapor com íons de argônio. A variação da potência e do tempo de irradiação permitiu produzir diferentes níveis de desordem cristalina. O grau de defeitos foi medido por espectroscopia Raman: a razão entre as bandas D e G (ID/IG) indicou distâncias médias entre defeitos (LD) de 10 nm a 60 nm.
Limite de 20 nm marca mudança no transporte eletrônico
Os autores identificaram um limiar em LD ≈ 20 nm (ID/IG ≈ 0,4). Nesse ponto, diferentes técnicas convergiram para indicar a transição do transporte difusivo para o regime de localização:
- Dinâmica ultrarrápida: pulsos de laser de 50 fs mostraram que os tempos de relaxação eletrônica τ1 e τ2 atingem um pico pronunciado justamente em 20 nm, sugerindo que o salto térmico entre estados localizados domina a recombinação.
- Medições elétricas: em substratos de quartzo, a resistividade aumentou exponencialmente abaixo do limite, mudando de comportamento metálico para isolante conforme a temperatura subia.
- Cálculos teóricos: simulações tight-binding com o pacote kwant revelaram colapso da função de onda em lóbulos confinados quando a densidade de defeitos ultrapassou 1 %, condição que satisfaz o critério de Ioffe-Regel (kFℓ ≈ 1).
Efeito sobre propriedades termoelétricas
A localização também refletiu-se no coeficiente Seebeck, que aumentou com a redução de LD, mantendo sinal positivo devido à dopagem p provocada pelas lacunas. Tanto o fator de potência (S²/ρ) quanto a figura de mérito zT apresentaram máximos nítidos perto de 20 nm em todas as temperaturas analisadas, corroborando previsões teóricas de que um filtro energético estreito favorece a conversão de calor em eletricidade.
Imagem: quantum interference erges
Apesar de o alto valor de condutividade térmica do grafeno limitar a eficiência prática do material, os autores destacam que a clareza com que se pode controlar e medir a desordem torna o sistema ideal para estudar como a localização quântica pode ser explorada em dispositivos termoelétricos de baixa dimensão.
Com informações de Nanowerk
