Por décadas, componentes eletrônicos menores e mais potentes têm impulsionado grandes avanços na tecnologia. Agora, cientistas estão em busca do próximo avanço no design de chips de computador, e muitos pesquisadores acreditam que materiais 2D podem desempenhar um papel fundamental. Esses materiais ultrafinos, feitos de apenas uma ou poucas camadas atômicas, são vistos como candidatos promissores para a construção de dispositivos eletrônicos ainda menores.
No entanto, novas pesquisas da TU Wien sugerem que muitos desses materiais podem não funcionar como esperado na tecnologia de chips do mundo real. O problema não está apenas no material em si. Cientistas descobriram que, quando os materiais 2D são emparelhados com camadas isolantes necessárias para dispositivos eletrônicos, uma lacuna atômica inevitável se forma entre eles. Essa pequena separação pode reduzir significativamente o desempenho e criar uma barreira fundamental à miniaturização adicional.
As descobertas podem ajudar a indústria de semicondutores a evitar gastar bilhões de dólares em abordagens que podem nunca superar essas limitações físicas.
Por que Interfaces são Importantes em Eletrônicos 2D
“Por muitos anos, os pesquisadores estiveram justamente fascinados pelas notáveis propriedades eletrônicas de novos materiais 2D, como grafeno ou dissulfeto de molibdênio,” diz o Prof. Mahdi Pourfath, que realizou a pesquisa juntamente com o Prof. Tibor Grasser no Instituto de Microeletrônica da TU Wien. “O que muitas vezes é negligenciado, no entanto, é que um material 2D por si só não faz um dispositivo eletrônico. Também precisamos 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.”
Transistores modernos funcionam alternando um semicondutor entre estados condutivo e não condutivo. Nos chips do futuro, esse semicondutor pode ser um material 2D ultrafino. O processo é controlado por um eletrodo de porta, que deve ser separado do material ativo por uma camada isolante.
Para manter os dispositivos o mais pequenos e eficientes possível, a camada isolante precisa ser extremamente fina. No entanto, a equipe da TU Wien descobriu que isso cria um grande problema em escala atômica.
A Pequena Lacuna que Cria um Grande Problema
“Em muitas combinações de materiais 2D e camadas isolantes, a ligação entre eles é relativamente fraca,” explica Grasser. “Eles estão unidos apenas por forças de van der Waals, que proporcionam apenas uma atração fraca entre o semicondutor e o isolante. Como resultado, as duas camadas não entram em contato próximo — há sempre uma lacuna entre elas.”
Essa lacuna mede apenas cerca de 0,14 nanômetros, tornando-se mais fina do que um único átomo de enxofre. Mesmo assim, tem um efeito dramático no comportamento eletrônico. Para dar uma ideia, um vírus SARS-CoV-2 é cerca de 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 se tornar o fator limitante. Enquanto ela existir, impõe um limite fundamental até onde esses dispositivos podem ser miniaturizados.”
Segundo os pesquisadores, muitos estudos têm se concentrado intensamente nas impressionantes propriedades dos próprios materiais 2D, prestando menos atenção às interfaces formadas dentro de dispositivos completos. O trabalho deles mostra que essas interfaces podem, em última análise, determinar se as futuras tecnologias de chips terão sucesso ou falharão.
Materiais “Zipper” Podem 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 Pourfath.
Uma possível resposta é o uso de chamados “materiais zipper.” Nessas estruturas, o semicondutor e a camada isolante se ligam muito mais fortemente em vez de permanecerem conectados de forma solta por forças de van der Waals. Essa conexão mais forte elimina a lacuna problemática.
“Nosso trabalho é uma boa notícia para a indústria de semicondutores,” diz Tibor Grasser. “Podemos prever quais materiais são adequados para os próximos passos de miniaturização — e quais não são. Porém, se uma pessoa se concentrar apenas nos materiais 2D em si, sem considerar as inevitáveis camadas isolantes desde o início, corre-se o risco de investir bilhões em uma abordagem que simplesmente não pode ter sucesso por razões físicas fundamentais.”
