Painéis solares, câmeras, biossensores e fibras ópticas são tecnologias que dependem de fotodetectores, ou sensores que convertem luz em eletricidade. Os fotodetectores estão se tornando mais eficientes e acessíveis, com seus chips semicondutores de componentes diminuindo de tamanho. No entanto, essa miniaturização está indo contra os limites estabelecidos pelos materiais e métodos de fabricação atuais, forçando compensações entre tamanho e desempenho.
Existem muitas limitações no processo tradicional de fabricação de chips semicondutores. Os chips são criados crescendo o filme semicondutor sobre o topo de um wafer de forma que a estrutura cristalina do filme esteja alinhada com a do substrato. Isso dificulta a transferência do filme para outros materiais de substrato, reduzindo sua aplicabilidade.
Além disso, o método atual de transferência e empilhamento desses filmes é feito por esfoliação mecânica, processo em que um pedaço de fita adesiva retira o filme semicondutor e o transfere para um novo substrato, camada por camada. Este processo resulta em múltiplas camadas não uniformes empilhadas umas sobre as outras com as imperfeições de cada camada acumuladas no todo. Este processo afeta a qualidade do produto e também limita a reprodutibilidade e escalabilidade desses chips.
Por último, certos materiais não funcionam bem como camadas extremamente finas. O silício permanece onipresente como o material de escolha para chips semicondutores, no entanto, quanto mais fino ele fica, pior seu desempenho como estrutura fotônica, tornando-o menos do que ideal em fotodetectores. Outros materiais que funcionam melhor do que o silício como camadas extremamente finas ainda requerem uma certa espessura para interagir com a luz, apresentando o desafio de identificar materiais fotônicos ideais e sua espessura crítica para operar em chips semicondutores fotodetectores.
A fabricação de filmes semicondutores fotônicos uniformes, extremamente finos e de alta qualidade, de outro material que não o silício, tornaria os chips semicondutores mais eficientes, aplicáveis e escaláveis.
Penn Engineers Deep Jariwala, professor assistente em Engenharia Elétrica e de Sistemas, e Pawan Kumar e Jason Lynch, um pós-doutorando e estudante de doutorado em seu laboratório, conduziram um estudo publicado na Nature Nanotechnology com o objetivo de fazer exatamente isso. Eric Stach, Professor de Ciência e Engenharia de Materiais, junto com seu pós-doutorado Surendra Anantharaman, o aluno de doutorado Huiqin Zhang e o aluno de graduação Francisco Barrera também contribuíram para este trabalho. O estudo colaborativo também incluiu pesquisadores da Penn State, AIXTRON, UCLA, do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea e do Laboratório Nacional de Brookhaven, e foi financiado principalmente pelo Laboratório de Pesquisa do Exército. Seu artigo descreve um novo método de fabricação de super-redes atomicamente finas, ou filmes semicondutores, que emitem alta emissão de luz.
Materiais com a espessura de um átomo geralmente assumem a forma de uma rede, ou uma camada de átomos alinhados geometricamente que formam um padrão específico para cada material. Uma superrede é composta de redes de diferentes materiais empilhados uns sobre os outros. As superredes têm propriedades ópticas, químicas e físicas completamente novas que as tornam adaptáveis para aplicações específicas, como foto óptica e outros sensores.
A equipe da Penn Engineering fez uma superrede, com cinco átomos de espessura, de tungstênio e enxofre (WS2).
“Após dois anos de pesquisa usando simulações que nos informaram como a superrede interagiria com o ambiente, estávamos prontos para construir experimentalmente a superrede”, diz Kumar. “Como as superredes tradicionais são cultivadas em um substrato desejado diretamente, elas tendem a ter milhões de átomos de espessura e são difíceis de transferir para outros substratos de materiais. Colaboramos com parceiros da indústria para garantir que nossas superredes atomicamente finas fossem desenvolvidas para serem escalonáveis e aplicáveis a muitos materiais diferentes. ”
Eles cultivaram monocamadas de átomos, ou redes, em uma bolacha de duas polegadas e então dissolveram o substrato, o que permite que a rede seja transferida para qualquer material desejado, no caso deles, safira. Além disso, sua rede foi criada com unidades repetidas de átomos alinhados em uma direção para tornar a superrede bidimensional, compacta e eficiente.
“Nosso design também é escalonável”, diz Lynch. “Fomos capazes de criar uma superrede com uma área de superfície medida em centímetros com nosso método, o que é uma grande melhoria em comparação com a escala de mícron das superredes de silício que estão sendo produzidas atualmente. Essa escalabilidade é possível devido à espessura uniforme em nossas superredes, o que torna o processo de fabricação é simples e repetível. A escalabilidade é importante para poder colocar nossas superredes nos chips de quatro polegadas padrão da indústria. ”
Seu design de superrede não é apenas extremamente fino, tornando-o leve e econômico, mas também pode emitir luz, não apenas detectá-la.
“Estamos usando um novo tipo de estrutura em nossas super-redes que envolve exciton-polaritons, que são partículas de quase-estado feitas de meia matéria e meia luz”, diz Lynch. “A luz é muito difícil de controlar, mas podemos controlar a matéria e descobrimos que, ao manipular a forma da superrede, poderíamos controlar indiretamente a luz emitida por ela. Isso significa que nossa superrede pode ser uma fonte de luz. Essa tecnologia tem potencial para melhorar significativamente os sistemas lidar em carros autônomos, reconhecimento facial e visão computacional. ”
Ser capaz de emitir e detectar luz com o mesmo material abre as portas para aplicações mais complicadas.
“Uma tecnologia atual na qual posso ver nossa superrede sendo usada é em chips de computador fotônicos integrados que são alimentados por luz”, diz Lynch. “A luz se move mais rápido do que os elétrons, então um chip alimentado por luz aumentará a velocidade de computação, tornando o processo mais eficiente, mas o desafio tem sido encontrar uma fonte de luz que possa alimentar o chip. Nossa superrede pode ser uma solução lá.”
As aplicações para esta nova tecnologia são diversas e provavelmente incluirão robótica de alta tecnologia, foguetes e lasers. Por causa da ampla gama de aplicações para essas superredes, a escalabilidade é muito importante.
“Nossas superredes são feitas com um processo geral e não sofisticado que não requer várias etapas em uma sala limpa, permitindo que o processo seja repetido facilmente”, diz Kumar. “Além disso, o design é aplicável a muitos tipos diferentes de materiais, permitindo adaptabilidade.”
“No mundo da tecnologia, há uma evolução constante das coisas se movendo em direção à nanoescala”, diz ele. “Certamente veremos um afinamento dos microchips e das estruturas que os formam, e nosso trabalho no material bidimensional é parte dessa evolução.”
“É claro que à medida que diluímos as coisas e tornamos a tecnologia cada vez menor, começamos a interagir com a mecânica quântica e é quando vemos fenômenos interessantes e inesperados ocorrerem”, diz Lynch. “Estou muito animado por fazer parte de uma equipe que traz a mecânica quântica para a tecnologia de alto impacto.”
Publicado em 23/12/2021 09h02
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