trabalho ciencias dos materiais

Prévia do material em texto

2.1 Estrutura e geometria O grafeno é um cristal atômico bidimensional formado por átomos de carbono localizados nos vértices de uma rede hexagonal (figura 10).
 Figura 10: Estrutura cristalina do grafeno: átomos de carbono localizados numa rede em formato de favos de mel. Figura reproduzida da Referência [26]. Apesar das tentativas de se estudar este material datarem de 1859 [23], foi só a poucos anos atrás que o grafeno começou a ser ativamente investigado científicamente, após Novoselev e Geim [24, 25] terem conseguido, pela primeira vez, isolar folhas individuais de grafeno [26]. Novosolev e Geim [24,25] usaram um método relativamente simples para extrair folhas de grafeno da estrutura do grafite. Eles usaram fitas adesivas para remover algumas camadas de grafite, e depois usaram um substrato para reduzir ainda mais o número de camadas de grafite até obter uma única camada que é, então, o grafeno. A figura 11, reproduzida da Referência [26] ilustra o processo utilizado por eles. Previsões teóricas anteriores afirmavam que era impossível a existência de cristais bidimensionais grandes a temperaturas finitas, e o fato da existência do grafeno mostra que a teoria não levou em conta a possibilidade da rede cristalina vibrar e se deformar na direção perpendicular ao plano do cristal [28–30]. A estrutura hexagonal pode ser matematicamente construída a partir de uma rede triangular e um célula unitária composta de dois dois átomos A e B, representados em cores azul e amarelo, respectivamente, conforme a figura 12). A posição de todos os átomos de cor amarela podem ser obtidos a partir da posição de 13 Figura 11: Método de obtenção de camadas finas de grafite utilizando uma fita adesiva, método esse que ficou conhecido como método “Scotch-tape”. Linha superior: a fita adesiva é usada para remover algumas camadas de grafite do material macroscópico. Embaixo e à esquerda: a fita com as camadas de grafite é pressionada sobre um substrato de um material perviamente escolhido. Embaixo e à direita: algumas camadas de grafite permanecem aderidas ao substrato, após retirada da fita de sobre o mesmo. Figura reproduzida da Referência [26]. Figura 12: Rede cristalina hexagonal (na forma de favos de mel) feita de duas redes triangulares, uma a partir do átomo A (azul) e outra a partir do átomo B (amarelo). a1 e a2 são os vetores da rede triangular e δi , i = 1, 2, 3 são os vetores que apontam para os átomos que são os primeiros vizinhos de um átomo da rede. Figura reproduzida da Referência [27]. um dos átomos de uma célula unitária somados a vetores múltiplos dos vetores ~a1 e ~a2
Figura 11: Método de obtenção de camadas finas de grafite utilizando uma fita adesiva,
método esse que ficou conhecido como método “Scotch-tape”. Linha superior: a fita adesiva
é usada para remover algumas camadas de grafite do material macroscópico. Embaixo e
à esquerda: a fita com as camadas de grafite é pressionada sobre um substrato de um
material perviamente escolhido. Embaixo e à direita: algumas camadas de grafite permanecem
aderidas ao substrato, após retirada da fita de sobre o mesmo. Figura reproduzida
da Referência [26].
igura 12: Rede cristalina hexagonal (na forma de favos de mel) feita de duas redes triangulares,
uma a partir do átomo A (azul) e outra a partir do átomo B (amarelo). a1 e a2 são
os vetores da rede triangular e _i, i = 1; 2; 3 são os vetores que apontam para os átomos
que são os primeiros vizinhos de um átomo da rede. Figura reproduzida da Referência [27].
um dos átomos de uma célula unitária somados a vetores múltiplos dos vetores ~a1 e ~a2,
enquanto que o mesmo se pode obter para os átomos de cor azul. Os vetores ~a1 e ~a2 são
dados por:
onde dCC _ 1:42Å é a distância entre os átomos de carbono no grafeno.
14
Percebe-se que a estrutura hexagonal formada pelos átomos de carbono implica que
a ligação química entre eles é aquela formada pela hibridização sp2 dos orbitais s e p.
Três elétrons de valência do átomo de carbono fazem parte das três ligações do tipo sp2
e o elétron restante, que ocupa o orbital pz, por exemplo, forma ligações chamadas de
_–_ que são mais fracas do que as outras. Este elétron do orbital p que se localiza em
orbital perpendicular ao plano do grafeno, é responsável pela maior parte das propriedades
eletrônicas do mesmo. E, em função da célula unitária do grafeno possuir dois átomos, a
estrutura eletrônica forma duas subbandas: uma _ e uma _*, que constituem as bandas de
valência e condução do grafeno, respectivamente.