Ao longo das décadas, componentes eletrônicos menores e mais potentes alimentaram grandes avanços tecnológicos. Os cientistas estão agora à procura do próximo avanço no design de chips de computador, e muitos investigadores acreditam que os materiais 2D podem desempenhar um papel fundamental. Esses materiais ultrafinos, feitos de apenas uma ou mais camadas atômicas, são vistos como candidatos promissores para a construção de dispositivos eletrônicos ainda menores.
Mas uma nova pesquisa da TU Wien mostra que muitos desses materiais podem não funcionar como esperado em tecnologias reais de chips. O problema não está apenas no material em si. Os cientistas descobriram que quando materiais 2D são combinados com as camadas isolantes necessárias para dispositivos eletrônicos, forma-se uma lacuna inevitável em escala atômica entre eles. Esta pequena separação pode reduzir significativamente o desempenho e criar um obstáculo fundamental para uma maior miniaturização.
As descobertas poderão ajudar a indústria de semicondutores a evitar gastar milhares de milhões de dólares em abordagens que poderão nunca ultrapassar estas limitações físicas.
Por que as interfaces são importantes na eletrônica 2D
“Por muitos anos, os pesquisadores ficaram fascinados, com razão, pelas excelentes propriedades eletrônicas de novos materiais bidimensionais, como o grafeno ou o dissulfeto de molibdênio”, diz o Prof. Mahdi Pourfat, que conduziu o estudo junto com o Prof. “No entanto, o que muitas vezes é esquecido é que um material 2D por si só não faz um dispositivo eletrônico. Também precisamos de uma camada isolante – geralmente um óxido. E é aqui que as coisas ficam complicadas do ponto de vista da ciência dos materiais.”
Os transistores modernos funcionam alternando um semicondutor entre estados condutores e não condutores. Em futuros microcircuitos, este semicondutor pode ser um material bidimensional ultrafino. O processo é controlado pelo eletrodo gate, que deve ser separado do material ativo por uma camada isolante.
Para que os dispositivos sejam tão pequenos e eficientes quanto possível, a camada isolante deve ser extremamente fina. No entanto, a equipa da TU Wien descobriu que isto representa um grande problema à escala atómica.
Uma pequena lacuna cria um grande problema
“Em muitas combinações de materiais 2D e camadas isolantes, a ligação entre eles é relativamente fraca”, explica Grasser. “Eles são mantidos juntos apenas pelas chamadas forças de van der Waals, que fornecem apenas uma atração fraca entre o semicondutor e o isolador. Como resultado, as duas camadas não entram em contato próximo – sempre há uma lacuna entre elas.”
Essa lacuna é de apenas 0,14 nanômetros, tornando-a mais fina que um átomo de enxofre. Apesar disso, afeta fortemente o comportamento eletrônico. Para se ter uma ideia, o vírus SARS-CoV-2 é aproximadamente 700 vezes maior.
“Essa lacuna enfraquece o acoplamento capacitivo entre as camadas. Não importa quão boas sejam as propriedades intrínsecas dos materiais, a lacuna pode ser um fator limitante. Enquanto existir, impõe um limite fundamental sobre o quão miniaturizados esses dispositivos podem ser.”
Segundo os pesquisadores, muitas pesquisas têm se concentrado fortemente nas impressionantes propriedades dos próprios materiais 2D, prestando menos atenção às interfaces formadas dentro dos dispositivos completos. Seu trabalho mostra que essas interfaces podem, em última análise, determinar se as futuras tecnologias de chips serão bem-sucedidas ou fracassarão.
“Zipper Materials” pode oferecer uma solução
“Se a indústria de semicondutores quiser ter sucesso com materiais 2D, a camada ativa e a camada isolante devem ser projetadas juntas desde o início”, enfatiza Mahdi Pourfat.
Uma resposta possível é o uso dos chamados “zíperes”. Nestes sistemas, o semicondutor e a camada isolante estão ligados entre si com muito mais força, em vez de permanecerem fracamente ligados pelas forças de van der Waals. Esta conexão mais estreita elimina a lacuna do problema.
“Nosso trabalho é uma boa notícia para a indústria de semicondutores”, diz Tibor Grasser. “Podemos prever quais materiais são adequados para futuros estágios de miniaturização e quais não são. Mas se você se concentrar apenas nos próprios materiais 2D, sem considerar as inevitáveis camadas isolantes desde o início, você corre o risco de investir bilhões em uma abordagem que simplesmente não pode ter sucesso por razões físicas fundamentais.”
