Pesquisadores do MIT e de outros lugares descobriram um material que pode ter um desempenho muito melhor que o silício. O próximo passo é encontrar formas práticas e econômicas de fabricá-lo.
O silício é um dos elementos mais abundantes na Terra e, em sua forma pura, o material semicondutor tornou-se a base de grande parte da tecnologia moderna, incluindo chips de computador microeletrônicos e células solares. No entanto, as propriedades do silício como semicondutor estão longe de ser ideais.
Uma razão é que, embora o silício permita que os elétrons fluam prontamente através de sua estrutura, ele é muito menos acomodado a “buracos” – contrapartes carregadas positivamente dos elétrons – e aproveitar ambos é crucial para tipos específicos de dispositivos. Além disso, o silício faz um trabalho ruim no transporte de calor, o que contribui para os frequentes problemas de superaquecimento e sistemas de refrigeração caros em computadores.
Agora, uma equipe de cientistas do MIT, da Universidade de Houston e de outras instituições realizou experimentos mostrando que um material chamado arseneto de boro cúbico supera essas duas limitações. Além de proporcionar alta mobilidade tanto para elétrons quanto para buracos, possui excelente condutividade térmica. É o melhor material semicondutor já encontrado, e talvez o melhor possível, de acordo com os pesquisadores.
O arseneto de boro cúbico até agora só foi feito e testado em pequenos lotes em escala de laboratório que não são uniformes. De fato, para testar pequenas regiões dentro do material, os cientistas tiveram que usar métodos especiais originalmente desenvolvidos pelo ex-pós-doutorado do MIT Bai Song. Mais trabalho será necessário para determinar se o arseneto de boro cúbico pode ser feito de forma prática e econômica, muito menos substituir o silício onipresente. Mas mesmo em um futuro próximo, dizem os pesquisadores, o material pode encontrar alguns usos onde suas propriedades únicas fariam uma diferença significativa.
As descobertas foram relatadas em 21 de julho de 2022, na revista Science, em um artigo do pós-doutorando do MIT Jungwoo Shin e do professor de engenharia mecânica do MIT Gang Chen; Zhifeng Ren na Universidade de Houston; e outros 14 no MIT, na Universidade de Houston, na Universidade do Texas em Austin e no Boston College.
Pesquisas anteriores, incluindo o trabalho de David Broido, coautor do novo artigo, previram teoricamente que o material teria alta condutividade térmica. Trabalhos subsequentes provaram experimentalmente essa previsão. Este último trabalho completa a análise confirmando experimentalmente uma previsão feita pelo grupo de Chen em 2018: que o arseneto de boro cúbico também teria mobilidade muito alta para elétrons e buracos, “o que torna esse material realmente único”, diz Chen.
Os experimentos anteriores demonstraram que a condutividade térmica do arseneto de boro cúbico é quase 10 vezes maior que a do silício. “Então, isso é muito atraente apenas para dissipação de calor”, diz Chen. Eles também mostraram que o material tem um bandgap muito bom, uma propriedade que lhe confere grande potencial como material semicondutor.
Agora, o novo trabalho preenche o quadro, mostrando que, com sua alta mobilidade tanto para elétrons quanto para buracos, o arseneto de boro tem todas as principais qualidades necessárias para um semicondutor ideal. “Isso é importante porque é claro que em semicondutores temos cargas positivas e negativas de forma equivalente. Então, se você construir um dispositivo, você quer ter um material onde elétrons e buracos viajem com menos resistência”, diz Chen.
O silício tem boa mobilidade de elétrons, mas baixa mobilidade de buracos, e outros materiais como o arseneto de gálio, amplamente utilizado para lasers, também têm boa mobilidade para elétrons, mas não para buracos.
“O calor é agora um grande gargalo para muitos eletrônicos”, diz Shin, principal autor do artigo. “O carboneto de silício está substituindo o silício para eletrônica de potência nas principais indústrias de EV, incluindo Tesla, uma vez que tem uma condutividade térmica três vezes maior do que o silício, apesar de suas mobilidades elétricas mais baixas. Imagine o que os arsenetos de boro podem alcançar, com condutividade térmica 10 vezes maior e mobilidade muito maior do que o silício. Pode ser um divisor de águas.”
Shin acrescenta: “O marco crítico que torna essa descoberta possível são os avanços nos sistemas de grade a laser ultrarrápido no MIT”, inicialmente desenvolvidos por Song. Sem essa técnica, diz ele, não teria sido possível demonstrar a alta mobilidade do material para elétrons e buracos.
As propriedades eletrônicas do arseneto de boro cúbico foram inicialmente previstas com base em cálculos de função de densidade mecânica quântica feitos pelo grupo de Chen, diz ele, e essas previsões agora foram validadas por meio de experimentos realizados no MIT, usando métodos de detecção óptica em amostras feitas por Ren e membros do a equipe da Universidade de Houston.
Não apenas a condutividade térmica do material é a melhor de qualquer semicondutor, mas os cientistas também dizem que ele tem a terceira melhor condutividade térmica de qualquer material – ao lado do diamante e do nitreto cúbico de boro enriquecido isotopicamente. “E agora, previmos o comportamento da mecânica quântica de elétrons e buracos, também a partir de primeiros princípios, e isso também é comprovado”, diz Chen.
“Isso é impressionante porque, na verdade, não conheço nenhum outro material, além do grafeno, que tenha todas essas propriedades”, diz ele. “E este é um material a granel que possui essas propriedades.”
O desafio agora, diz ele, é descobrir maneiras práticas de fazer esse material em quantidades utilizáveis. Os métodos atuais de fazê-lo produzir material muito não uniforme, então a equipe teve que encontrar maneiras de testar apenas pequenas manchas locais do material que fossem uniformes o suficiente para fornecer dados confiáveis. Embora tenham demonstrado o grande potencial desse material, “se ou onde ele será realmente usado, não sabemos”, diz Chen.
“O silício é o carro-chefe de toda a indústria”, diz Chen. “Então, tudo bem, temos um material que é melhor, mas vai realmente compensar a indústria? Nós não sabemos.” Embora o material pareça ser quase um semicondutor ideal, “se ele pode realmente entrar em um dispositivo e substituir parte do mercado atual, acho que isso ainda precisa ser comprovado”.
E embora as propriedades térmicas e elétricas tenham se mostrado excelentes, existem muitas outras propriedades de um material que ainda precisam ser testadas, como sua estabilidade a longo prazo, diz Chen. “Para fabricar dispositivos, existem muitos outros fatores que ainda não conhecemos.”
Ele acrescenta: “Isso pode ser muito importante, e as pessoas nem prestaram atenção a esse material”. Agora que as propriedades desejáveis do arseneto de boro se tornaram mais claras, sugerindo que o material é “de muitas maneiras o melhor semicondutor”, diz ele, “talvez haja mais atenção a esse material”.
Para usos comerciais, diz Ren, “um grande desafio seria como produzir e purificar o arseneto de boro cúbico de forma tão eficaz quanto o silício. – O silício levou décadas para ganhar a coroa, com pureza superior a 99,99999999%, ou ’10 noves’ para produção em massa hoje.”
Para que se torne prático no mercado, diz Chen, “é realmente necessário que mais pessoas desenvolvam maneiras diferentes de fazer materiais melhores e caracterizá-los”. Se o financiamento necessário para tal desenvolvimento estará disponível continua a ser visto, diz ele.
Publicado em 25/07/2022 09h57
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