O silício congelado imita o Big Bang
Novas ideias para o fabrico de camadas de materiais semicondutores sem defeitos
As células solares e os chips de computador necessitam de camadas de silício tão perfeitas quanto possível. Qualquer imperfeição na estrutura cristalina de uma pastilha de silício aumenta o risco de redução da eficiência ou de processos de comutação defeituosos. Se soubermos como os átomos de silício se organizam para formar uma rede cristalina numa superfície fina, obtemos conhecimentos fundamentais para controlar o crescimento dos cristais. Para tal, uma equipa de investigação do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), da Universidade de Duisburg-Essen e da Universidade canadiana de Alberta analisou o comportamento do silício congelado. Os resultados mostram que a velocidade de arrefecimento tem um grande impacto na estrutura das superfícies de silício. O mecanismo subjacente pode também ter ocorrido durante as transições de fase no universo primitivo, pouco depois do Big Bang.
A baixas temperaturas, formam-se na superfície do silício pares de átomos de silício, conhecidos como dímeros, que podem inclinar-se para a direita ou para a esquerda, como uma gangorra. Acima de uma certa temperatura crítica - no caso do silício, 190 Kelvin (-83 °C) - os dímeros balançam para trás e para a frente entre os dois estados. "Quando são arrefecidos abaixo da temperatura crítica, os dímeros fixam-se num dos dois estados", diz o Dr. Gernot Schaller, Diretor da Tecnologia de Informação Quântica no Instituto de Física Teórica da HZDR. "Estão efetivamente congelados por esta transição de fase".
Além disso, os dímeros individuais influenciam-se mutuamente. Esta influência depende da disposição dos dímeros: o acoplamento na direção transversal é mais forte do que na longitudinal. "E é precisamente esta forte anisotropia que é essencialmente responsável pelo comportamento dos dímeros na superfície", diz Schaller. "Dependendo da taxa de arrefecimento, assistimos a uma transição do comportamento unidimensional para o bidimensional." Unidimensional significa que quando o arrefecimento é extremamente rápido, mais de 100 Kelvin por microssegundo, os ângulos de inclinação dos dímeros organizam-se em longas cadeias. No entanto, se a temperatura descer mais lentamente, prevalece o comportamento bidimensional. Neste caso, os dímeros de silício formam superfícies mais ou menos grandes e ordenadas, conhecidas como domínios, caracterizadas por uma estrutura uniforme em forma de favo de mel. "E quanto mais lento for o arrefecimento, maiores serão os domínios", explica Schaller.
Para calcular a estrutura da superfície cristalina, os investigadores utilizaram o chamado modelo de Ising. Este modelo matemático considera os ângulos de inclinação dos dímeros de silício, que só podem assumir um de dois estados possíveis. Esta descrição elegante de uma transição de fase durante o arrefecimento rápido das superfícies de silício, graças ao modelo de Ising anisotrópico, não é apenas pura teoria. Os investigadores também compararam os seus cálculos analíticos e numéricos com dados experimentais.
Cadeias em favo de mel e em ziguezague
As imagens de alta resolução do microscópio de túnel de varrimento das superfícies de silício congeladas revelam estruturas que correspondem às simulações. Podem ser vistas estruturas bidimensionais alargadas em favo de mel e limites unidimensionais nítidos entre cadeias em forma de ziguezague. "E os nossos colegas da Universidade de Duisburg-Essen estão a planear outras experiências que poderão confirmar o impacto da taxa de arrefecimento na estrutura da superfície de silício - em analogia com as nossas simulações", diz o Prof. Ralf Schützhold, diretor do Instituto de Física Teórica da HZDR.
Os resultados não só geram novas ideias para o fabrico personalizado de superfícies de silício sem defeitos, como também "o comportamento dos dímeros de silício apresenta paralelismos com o chamado mecanismo Kibble-Zurek", diz Schützhold. Com o nome dos físicos teóricos Tom Kibble e Wojciech H. Zurek, este modelo teórico descreve a forma como os defeitos topológicos, ou seja, as imperfeições numa estrutura ordenada, se formam durante transições de fase rápidas. Kibble analisou os processos durante o arrefecimento do universo muito jovem que se seguiu ao Big Bang. Os defeitos topológicos, tais como monopólos pontuais ou defeitos lineares - as cordas cósmicas - poderiam ter sido criados desta forma. Zurek previu um comportamento análogo na matéria condensada, utilizando o exemplo do hélio superfluido criogénico. Agora, a equipa de Schaller e Schützhold demonstrou que o mecanismo de Kibble-Zurek está aparentemente muito mais difundido do que se esperava inicialmente e pode mesmo ocorrer em superfícies de silício congeladas.
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