Fluxo de energia nos semicondutores: novos conhecimentos graças à espetroscopia ultra-rápida
Inimaginavelmente pequeno
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Pela primeira vez e com uma precisão sem precedentes, uma equipa de investigadores da Universidade de Basileia observou mecanismos únicos de fluxo de energia num material semicondutor após excitação por impulsos laser extremamente curtos. Compreender melhor estes fluxos de energia é vital para melhorar a eficiência dos dispositivos electrónicos e dos chips de computador.
Quer se trate de um smartphone ou de um computador portátil, os semicondutores constituem a base da eletrónica moderna e acompanham-nos constantemente na vida quotidiana. Os processos que ocorrem no interior destes materiais são objeto de investigação contínua. Quando os electrões de um material semicondutor são activados pela luz ou por uma tensão eléctrica, os electrões excitados põem também em movimento a rede atómica. Isto resulta em vibrações colectivas dos átomos, conhecidas como fonões ou vibrações da rede, que interagem entre si e com os próprios electrões.
Estas pequenas vibrações da rede desempenham um papel vital na forma como a energia flui e se dissipa através do material - por outras palavras, na eficiência com que a energia é redistribuída e na intensidade com que o material aquece. Podem ser utilizadas diferentes abordagens para controlar e monitorizar a propagação das vibrações da rede - e, por conseguinte, para tornar o semicondutor mais eficaz e mais eficiente.
O conhecimento pormenorizado dos mecanismos de perda de energia e de potencial sobreaquecimento é essencial para conceber novos materiais e dispositivos que aqueçam menos, recuperem mais rapidamente ou respondam a excitações externas com maior precisão. Uma equipa liderada pela Professora Ilaria Zardo, da Universidade de Basileia, relata a precisão sem precedentes que alcançou nas medições dos processos de fluxo de energia no semicondutor germânio, frequentemente utilizado na tecnologia informática, conforme publicado na revista Advanced Science.
Fluxo de energia após excitação ultra-rápida
A equipa do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociências desenvolveu especificamente uma técnica única que pode ser utilizada para medir com precisão a forma como os electrões e os fónons se movem e trocam energia dentro da rede cristalina do material analisado, após excitação com impulsos laser ultra-rápidos de apenas 30 femtossegundos (1 femtossegundo é igual a 10-15 segundos). Ao fazê-lo, os físicos conseguiram mostrar como a energia flui, como é transferida e como é convertida em calor no interior do material.
"Pela primeira vez, a combinação de duas técnicas espectroscópicas permitiu-nos observar como a energia é transferida passo a passo do sistema eletrónico para a rede. Também podemos observar como a frequência, a intensidade e a duração das vibrações da rede mudam ao longo do tempo após a excitação", explica a Dra. Grazia Raciti, primeira autora da publicação.
Inimaginavelmente pequeno
Aqui, uma das técnicas espectroscópicas, conhecida como espetroscopia Raman resolvida no tempo, mede pequenas alterações nas vibrações da rede atómica. A segunda técnica, conhecida como espetroscopia de reflexão transiente, regista a alteração do comportamento da luz após uma breve excitação.
O desafio destas medições está relacionado com os sinais minúsculos e a escala de tempo em que as interações ocorrem. Com as medições a decorrer durante um período de 48 horas, o sistema é excitado com um impulso laser curto uma vez por microssegundo. As alterações observadas no sistema ocorrem então na escala de tempo dos picossegundos. A Dra. Begoña Abad Mayor, investigadora da equipa de Zardo, explica estas dimensões inimaginavelmente pequenas através de uma analogia: "Se imaginarmos que o intervalo de tempo entre dois impulsos de laser (que na realidade é de 1 microssegundo) dura 10 dias, então a resposta da amostra que registamos no semicondutor dura apenas um segundo".
Assim, estas medições acedem a escalas de tempo incrivelmente rápidas com uma sensibilidade extremamente elevada. Os investigadores conseguem detetar pequenas alterações de menos de 1 por cento em intensidade e menos de 0,2 cm-¹ em frequência. Com esta resolução temporal e energética à escala atómica, é possível distinguir os diferentes mecanismos de perda de energia.
Os investigadores do Departamento de Física e do Instituto Suíço de Nanociências da Universidade de Basileia complementaram as suas investigações experimentais com simulações informáticas de última geração. Isto permitiu-lhes compreender em pormenor os processos físicos subjacentes aos resultados das medições.
Compreensão necessária para um maior desenvolvimento
O resultado combinado fornece uma imagem detalhada da forma como a energia é distribuída e dissipada no germânio após excitação ultra-rápida. "Esta investigação fundamental é vital para compreender e desenvolver a eletrónica moderna e os novos componentes fonónicos, podendo assim conduzir a melhores chips, sensores ou outros dispositivos electrónicos", afirma Zardo.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Grazia Raciti, Begoña Abad, Riccardo Dettori, Raja Sen, Aswathi K. Sivan, Jose M. Sojo‐Gordillo, Nathalie Vast, Riccardo Rurali, Claudio Melis, Jelena Sjakste, Ilaria Zardo; "Unraveling Energy Flow Mechanisms in Semiconductors by Ultrafast Spectroscopy: Germanium as a Case Study"; Advanced Science, 2026-1-12
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