A abordagem de fabricação sem água pode ajudar a promover a integração da eletrônica 2D

O futuro da tecnologia tem um problema antigo: ferrugem. Quando o metal contendo ferro reage com oxigênio e umidade, a corrosão resultante impede muito a longevidade e o uso de peças na indústria automotiva.

Embora não seja chamada de “ferrugem” na indústria de semicondutores, a oxidação é especialmente problemática em materiais semicondutores bidimensionais (2D), que controlam o fluxo de eletricidade em dispositivos eletrônicos, porque qualquer corrosão pode tornar o material atômico fino inútil.

Agora, uma equipe de pesquisadores acadêmicos e empresariais desenvolveu um processo de síntese para produzir um revestimento “resistente à ferrugem” com propriedades adicionais, ideal para criar eletrônicos mais rápidos e duráveis.

A equipe, coliderada por pesquisadores da Penn State, publicou seu trabalho em Comunicações da Natureza.

Materiais 2D são ultrafinos, com apenas um ou alguns átomos de espessura. Eles prometem semicondutores avançados porque sua espessura fornece um caminho mais curto e direto para que os elétrons se movam rapidamente e com menos resistência através do material. Isso, por sua vez, permite um desempenho eletrônico mais rápido e eficiente.

Semicondutores são materiais que conduzem eletricidade sob algumas condições, mas não em outras, tornando-os ideais para controlar correntes elétricas em dispositivos eletrônicos. Dispositivos eletrônicos, os “cérebros” dos chips de computador, são feitos desses materiais.

“Um dos maiores problemas que vemos na pesquisa de semicondutores 2D atualmente é o fato de que os materiais oxidam rapidamente”, disse Joshua Robinson, professor de ciência e engenharia de materiais e coautor correspondente do trabalho.

“Você precisa garantir a confiabilidade deles a longo prazo porque eles estão indo para transistores ou sensores que supostamente duram anos. No momento, esses materiais não duram mais do que uma semana ao ar livre.”

Os métodos tradicionais para proteger esses materiais da ferrugem envolvem revestimentos à base de óxido, mas esses processos geralmente usam água, o que ironicamente pode acelerar a oxidação que eles visam prevenir. A abordagem da equipe para esse problema foi buscar um material e método de revestimento que pudessem evitar o uso de água completamente. Entra em cena o nitreto de boro amorfo (a-BN).

“Queríamos deixar de usar água no processo, então começamos a pensar em que tipo de materiais 2D poderíamos fazer que não usassem água em seu processamento, e o nitreto de boro amorfo é um deles”, disse Robinson.

Uma forma não cristalina de nitreto de boro, o a-BN é conhecido por sua alta estabilidade térmica e propriedades de isolamento elétrico, tornando-o ideal para uso em semicondutores para isolar componentes, evitar correntes elétricas indesejadas e melhorar o desempenho do dispositivo, disse Robinson.

Ele explicou que o a-BN a tem alta rigidez dielétrica, uma medida que indica a capacidade do material de suportar altos campos elétricos sem quebrar, um fator crítico para um desempenho eletrônico confiável.

“A alta rigidez dielétrica demonstrada pelo a-BN é comparável aos melhores dielétricos disponíveis, e não precisamos de água para fazê-lo”, disse Robinson. “O que demonstramos no artigo foi que incluir nitreto de boro amorfo produz desempenho de dispositivo melhorado em comparação aos dielétricos convencionais sozinhos.”

Embora o revestimento tenha ajudado a produzir um transistor 2D melhor, obter o revestimento nos materiais 2D provou ser um desafio, de acordo com Robinson. Materiais bidimensionais não têm ligações pendentes, que são elétrons desemparelhados na superfície de um material que reagem ou se ligam a outros átomos.

Um processo padrão de etapa única que usa temperaturas mais altas para revestir os materiais resultou em revestimentos irregulares e descontínuos, bem abaixo da qualidade que os componentes eletrônicos precisam para funcionar corretamente.

Para revestir uniformemente materiais 2D com o a-BN, a equipe desenvolveu um novo método de deposição de camada atômica em duas etapas, que envolve primeiro depositar uma fina “camada semente” de a-BN de baixa temperatura antes de aquecer a câmara a temperaturas típicas de deposição entre 250 e 300 °C.

Isso não apenas permitiu que os pesquisadores produzissem um revestimento a-BN uniforme sobre os semicondutores 2D, mas também levou a uma melhoria de 30% a 100% — dependendo do projeto do transistor — no desempenho do transistor em comparação com dispositivos que não utilizam o a-BN.

“Quando você intercala semicondutores 2D entre o nitreto de boro amorfo, mesmo que ele seja amorfo, você acaba com uma estrada eletrônica mais suave, por assim dizer, que permitiria uma eletrônica melhorada”, disse Robinson. “Os elétrons podem passar mais rápido pelo material 2D do que se estivessem entre outros materiais dielétricos.”

Robinson observou que, mesmo com sua alta rigidez dielétrica, os pesquisadores apenas arranharam a superfície do potencial do a-BN como um material dielétrico para dispositivos semicondutores.

“Temos espaço para melhorias, embora ele já esteja superando outros materiais dielétricos”, disse Robinson. “A principal coisa que estamos tentando fazer agora é melhorar a qualidade geral do material e então integrá-lo em algumas estruturas complexas que você veria na eletrônica do futuro.”