Chips menores, computadores mais rápidos, menor consumo de energia. Espera-se que novos conceitos baseados em nanofios semicondutores tornem os transistores em circuitos microeletrônicos melhores e mais eficientes.
A mobilidade dos elétrons desempenha um papel fundamental nisso: quanto mais rápido os elétrons podem acelerar nesses fios minúsculos, mais rápido um transistor pode alternar e menos energia ele requer. Uma equipe de pesquisadores do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), do TU Dresden e do NaMLab agora conseguiu demonstrar experimentalmente que a mobilidade eletrônica em nanofios é notavelmente aprimorada quando o invólucro coloca o núcleo do fio sob tensão de tração. Este fenômeno oferece novas oportunidades para o desenvolvimento de transistores ultrarrápidos.
Os nanofios têm uma propriedade única: esses fios ultrafinos podem suportar tensões elásticas muito altas sem danificar a estrutura cristalina do material. E, no entanto, os próprios materiais não são incomuns. O arseneto de gálio, por exemplo, é amplamente utilizado na fabricação industrial e é conhecido por ter uma alta mobilidade eletrônica intrínseca.
A tensão cria velocidade
Para melhorar ainda mais essa mobilidade, os pesquisadores de Dresden produziram nanofios que consistem em um núcleo de arseneto de gálio e um invólucro de arseneto de índio e alumínio. Os diferentes ingredientes químicos resultam em estruturas cristalinas na casca e no núcleo com espaçamentos de rede ligeiramente diferentes. Isso faz com que a casca exerça uma alta tensão mecânica no núcleo muito mais fino. O arseneto de gálio no núcleo altera suas propriedades eletrônicas. “Nós influenciamos a massa efetiva dos elétrons no núcleo. Os elétrons ficam mais leves, por assim dizer, o que os torna mais móveis”, explicou o Dr. Emmanouil Dimakis, cientista do Instituto de Pesquisa de Materiais e Física de Feixes de Íons do HZDR e iniciador do estudo recentemente publicado.
O que começou como uma previsão teórica agora foi comprovado experimentalmente pelos pesquisadores no estudo publicado recentemente. “Sabíamos que os elétrons no núcleo deveriam ser ainda mais móveis na estrutura de cristal tensionada. Mas o que não sabíamos era até que ponto a casca do fio afetaria a mobilidade dos elétrons no núcleo. O núcleo é extremamente fino, permitindo que os elétrons interajam com a casca e sejam espalhados por ela”, observou Dimakis. Uma série de medições e testes demonstraram esse efeito: apesar da interação com a casca, os elétrons no núcleo dos fios sob investigação moviam-se aproximadamente trinta por cento mais rápido à temperatura ambiente do que os elétrons em nanofios comparáveis que eram livres de tensão ou em arsenieto de gálio a granel.
Revelando o núcleo
Os pesquisadores mediram a mobilidade eletrônica aplicando espectroscopia óptica sem contato: usando um pulso de laser óptico, eles liberaram elétrons dentro do material. Os cientistas selecionaram a energia do pulso de luz de tal forma que a casca parece praticamente transparente à luz, e os elétrons livres são produzidos apenas no núcleo do fio. Pulsos subsequentes de terahertz de alta frequência fizeram com que os elétrons livres oscilassem. “Nós praticamente damos um chute nos elétrons e eles começam a oscilar no fio”, explicou o PD Dr. Alexej Pashkin, que otimizou as medições para testar os nanofios de núcleo-casca sob investigação em colaboração com sua equipe no HZDR.
A comparação dos resultados com os modelos revela como os elétrons se movem: quanto maior sua velocidade e menos obstáculos eles encontram, mais tempo dura a oscilação. “Esta é realmente uma técnica padrão. Mas desta vez não medimos o fio inteiro – compreendendo o núcleo e a casca – mas apenas o pequeno núcleo. Este foi um novo desafio para nós. O núcleo é responsável por cerca de um por cento do material. Em outras palavras, excitamos cerca de cem vezes menos elétrons e recebemos um sinal cem vezes mais fraco”, afirmou Pashkin.
Consequentemente, a escolha da amostra também foi um passo crítico. Uma amostra típica contém uma média de cerca de 20.000 a 100.000 nanofios em um pedaço de substrato medindo aproximadamente um milímetro quadrado. Se os fios estiverem ainda mais espaçados na amostra, pode ocorrer um efeito indesejável: os fios vizinhos interagem entre si, criando um sinal semelhante ao de um único fio mais grosso e distorcendo as medições. Se este efeito não for detectado, a velocidade do elétron obtida é muito baixa. Para descartar tal interferência, a equipe de pesquisa de Dresden realizou modelagem adicional, bem como uma série de medições para nanofios com diferentes densidades.
Protótipos para transistores rápidos
As tendências na microeletrônica e na indústria de semicondutores exigem cada vez mais transistores menores que comutam cada vez mais rápido. Especialistas antecipam que novos conceitos de nanofios para transistores também farão incursões na produção industrial nos próximos anos. O desenvolvimento alcançado em Dresden é particularmente promissor para transistores ultrarrápidos. O próximo passo dos pesquisadores será desenvolver os primeiros protótipos baseados nos nanofios estudados e testar sua adequação ao uso. Para isso, pretendem aplicar, testar e aprimorar os contatos metálicos nos nanofios, além de testar a dopagem dos nanofios com silício e otimizar os processos de fabricação.
Publicado em 10/02/2022 09h45
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