A indústria dos semicondutores está a confiar nos materiais errados
A solução: materiais com "fecho de correr"
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Os materiais 2D são vistos como um caminho prometedor para melhores chips de computador. Os investigadores da TU Wien mostram agora: alguns destes materiais não são adequados devido a um efeito subestimado. Mas há alternativas.
A miniaturização dos componentes electrónicos tem sido uma história de enorme sucesso, impulsionando o progresso tecnológico durante décadas. Já se trabalha na próxima revolução dos chips de computador: os materiais 2D - camadas ultrafinas constituídas por apenas uma ou poucas camadas atómicas - poderiam ser ideais para estruturas electrónicas ainda mais pequenas.
No entanto, os investigadores da TU Wien demonstraram agora que muitos materiais 2D, outrora considerados altamente promissores, são de facto inadequados para este fim. Não basta estudar as propriedades do próprio material - os efeitos de interface também devem ser tidos em conta. Quando os materiais 2D são combinados com uma camada isolante, forma-se inevitavelmente um espaço extremamente fino entre eles, degradando drasticamente as suas propriedades electrónicas. A boa notícia é que esta abordagem também permite aos investigadores identificar quais os materiais que não são afectados por este problema - potencialmente poupando a indústria de semicondutores de investir milhares de milhões em tecnologias que são fundamentalmente limitadas pelas leis da física.
Não é apenas o material - é a interface
"Durante muitos anos, os investigadores ficaram fascinados, e com razão, pelas notáveis propriedades electrónicas de novos materiais 2D, como o grafeno ou o dissulfureto de molibdénio", afirma o Prof. Mahdi Pourfath, que realizou a investigação juntamente com o Prof. Tibor Grasser no Instituto de Microeletrónica da TU Wien. "No entanto, o que é frequentemente ignorado é que um material 2D por si só não faz um dispositivo eletrónico. Precisamos também de uma camada isolante - normalmente um óxido. E é aqui que as coisas se tornam mais complicadas do ponto de vista da ciência dos materiais".
O conceito básico dos transístores utilizados nos chips de computador é simples: a condutividade de um semicondutor - que também pode ser um material 2D ultrafino - pode ser modulada entre estados condutores e não condutores. O estado que ocorre é controlado pela porta, um elétrodo que deve ser separado do material ativo por uma camada isolante.
Atenção ao intervalo!
Esta camada isolante deve ser tão fina quanto possível para permitir um controlo preciso dos campos eléctricos no material 2D, possibilitando dispositivos extremamente pequenos e compactos. No entanto, quando estas estruturas são analisadas à escala atómica, surge um problema que até agora tem recebido pouca atenção.
"Em muitas combinações de materiais 2D e camadas isolantes, a ligação entre eles é relativamente fraca", explica Grasser. "São mantidas juntas apenas pelas chamadas forças de van der Waals, que proporcionam apenas uma fraca atração entre o semicondutor e o isolante. Como resultado, as duas camadas não entram em contacto estreito - há sempre um espaço entre elas."
Este espaço é minúsculo - apenas cerca de 0,14 nanómetros, mais fino do que um único átomo de enxofre - mas tem um grande impacto no desempenho eletrónico. Um vírus SARS-CoV-2, para comparação, é cerca de 700 vezes maior. "Esta lacuna enfraquece o acoplamento capacitivo entre as camadas. Por muito boas que sejam as propriedades intrínsecas dos materiais, o intervalo pode tornar-se o fator limitante. Enquanto existir, impõe um limite fundamental à possibilidade de miniaturização destes dispositivos".
A solução: Materiais com "fecho de correr"
"Se a indústria dos semicondutores quiser ter êxito com os materiais 2D, a camada ativa e a camada isolante devem ser concebidas em conjunto desde o início", sublinha Mahdi Pourfath. Há soluções possíveis: os chamados "materiais com fecho de correr" combinam os dois aspectos. O semicondutor e o isolante interligam-se - não se limitam a estar frouxamente ligados por forças de van der Waals, mas formam uma ligação mais forte que elimina a lacuna.
"O nosso trabalho é uma boa notícia para a indústria dos semicondutores", afirma Tibor Grasser. "Podemos prever que materiais são adequados para futuras etapas de miniaturização - e quais não são. Mas se nos concentrarmos apenas nos materiais 2D em si, sem considerar as inevitáveis camadas isolantes desde o início, corremos o risco de investir milhares de milhões numa abordagem que simplesmente não pode ser bem sucedida por razões físicas fundamentais".
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