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Em um estudo que confirma sua promessa como o material semicondutor de próxima geração, os pesquisadores da UC Santa Barbara visualizaram diretamente as propriedades de transporte do fototransportador de cristais únicos de arseneto de boro cúbico.
“Conseguimos visualizar como a carga se move em nossa amostra”, disse Bolin Liao, professor assistente de engenharia mecânica na Faculdade de Engenharia. Usando a única configuração de microscopia eletrônica de varredura ultrarrápida (SUEM) em operação em uma universidade dos EUA, ele e sua equipe foram capazes de fazer “filmes” dos processos de geração e transporte de uma carga fotoexcitada neste material semicondutor III-V relativamente pouco estudado , que recentemente foi reconhecido como tendo propriedades elétricas e térmicas extraordinárias. No processo, eles encontraram outra propriedade benéfica que aumenta o potencial do material como o próximo grande semicondutor.
Sua pesquisa, conduzida em colaboração com o grupo do professor de física Zhifeng Ren da Universidade de Houston, especializado na fabricação de cristais únicos de arseneto de boro cúbico de alta qualidade, aparece na revista Matéria.
‘Tocando a campainha’
O arseneto de boro está sendo visto como um candidato potencial para substituir o silício, o material semicondutor básico do mundo dos computadores, devido ao seu desempenho promissor. Por um lado, com uma mobilidade de carga aprimorada em relação ao silício, ele conduz facilmente a corrente (elétrons e sua contraparte carregada positivamente, “buracos”). No entanto, ao contrário do silício, ele também conduz calor com facilidade.
“Este material tem na verdade uma condutividade térmica 10 vezes maior que o silício”, disse Liao. Essa capacidade de condução e liberação de calor é particularmente importante à medida que os componentes eletrônicos se tornam menores e mais densamente compactados, e o calor acumulado ameaça o desempenho dos dispositivos, explicou ele.
“À medida que seus celulares se tornam mais poderosos, você quer dissipar o calor, caso contrário, você terá problemas de eficiência e segurança”, disse ele. “O gerenciamento térmico tem sido um desafio para muitos dispositivos microeletrônicos.”
O que dá origem à alta condutividade térmica desse material, ao que parece, também pode levar a propriedades interessantes de transporte de fotoportadores, que são as cargas excitadas pela luz, por exemplo, em uma célula solar. Se verificado experimentalmente, isso indicaria que o arseneto de boro cúbico também pode ser um material promissor para aplicações fotovoltaicas e de detecção de luz. A medição direta do transporte de fotoportadores em arseneto de boro cúbico, no entanto, tem sido um desafio devido ao pequeno tamanho das amostras de alta qualidade disponíveis.
O estudo da equipe de pesquisa combina duas façanhas: as habilidades de crescimento de cristais da equipe da Universidade de Houston e as proezas de imagem da UC Santa Barbara. Combinando as habilidades do microscópio eletrônico de varredura e dos lasers ultrarrápidos de femtossegundos, a equipe da UCSB construiu o que é essencialmente uma câmera extremamente rápida e excepcionalmente de alta resolução.
“Os microscópios eletrônicos têm uma resolução espacial muito boa – eles podem resolver átomos únicos com sua resolução espacial subnanométrica – mas normalmente são muito lentos”, disse Liao, observando que isso os torna excelentes para capturar imagens estáticas.
“Com nossa técnica, combinamos essa resolução espacial muito alta com um laser ultrarrápido, que atua como um obturador muito rápido, para uma resolução de tempo extremamente alta”, continuou Liao. “Estamos falando de um picosegundo – um milionésimo de um milionésimo de segundo. Assim, podemos fazer filmes dessa energia microscópica e processos de transporte de carga.” Originalmente inventado na Caltech, o método foi desenvolvido e aprimorado na UCSB a partir do zero e agora é a única configuração operacional de SUEM em uma universidade americana.
“O que acontece é que temos um pulso desse laser que excita a amostra”, explicou o pesquisador estudante de pós-graduação Usama Choudhry, principal autor do artigo da Matter. “Você pode pensar nisso como tocar um sino; é um barulho alto que diminui lentamente com o tempo.” Conforme eles “tocam a campainha”, ele explicou, um segundo pulso de laser é focado em um fotocátodo (“pistola de elétrons”) para gerar um pulso de elétrons curto para a imagem da amostra. Eles então escaneiam o pulso de elétrons ao longo do tempo para obter uma imagem completa do anel. “Apenas fazendo muitas dessas varreduras, você pode obter um filme de como os elétrons e buracos ficam excitados e, eventualmente, voltam ao normal”, disse ele.
Entre as coisas que eles observaram enquanto excitavam sua amostra e observavam os elétrons retornarem ao seu estado original está quanto tempo os elétrons “quentes” persistem.
“Descobrimos, surpreendentemente, que os elétrons ‘quentes’ excitados pela luz neste material podem persistir por muito mais tempo do que em semicondutores convencionais”, disse Liao. Esses portadores “quentes” persistiram por mais de 200 picossegundos, uma propriedade que está relacionada à mesma característica responsável pela alta condutividade térmica do material. Essa capacidade de hospedar elétrons “quentes” por períodos de tempo significativamente mais longos tem implicações importantes.
“Por exemplo, quando você excita os elétrons em uma célula solar típica com luz, nem todos os elétrons têm a mesma quantidade de energia”, explicou Choudhry. “Os elétrons de alta energia têm um tempo de vida muito curto, e os elétrons de baixa energia têm um tempo de vida muito longo.” Quando se trata de coletar a energia de uma célula solar típica, continuou ele, apenas os elétrons de baixa energia estão sendo coletados com eficiência; os de alta energia tendem a perder sua energia rapidamente como calor. Devido à persistência dos portadores de alta energia, se esse material fosse usado como célula solar, mais energia poderia ser colhida com eficiência.
Com o arsenieto de boro superando o silício em três áreas relevantes – mobilidade de carga, condutividade térmica e tempo de transporte do fototransportador quente – ele tem o potencial de se tornar o próximo material de última geração do mundo da eletrônica. No entanto, ainda enfrenta obstáculos significativos – fabricação de cristais de alta qualidade em grandes quantidades – antes de poder competir com o silício, cujas enormes quantidades podem ser fabricadas de forma relativamente barata e de alta qualidade. Mas Liao não vê muito problema.
“O silício agora está disponível rotineiramente por causa de anos de investimento; as pessoas começaram a desenvolver silício por volta dos anos 1930 e 1940”, disse ele. “Acho que uma vez que as pessoas reconheçam o potencial deste material, haverá mais esforço para encontrar maneiras de crescer e usá-lo. A UCSB está realmente posicionada de maneira única para esse desafio com forte experiência no desenvolvimento de semicondutores.”
O trabalho realizado na UCSB foi parcialmente apoiado pelo US Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, sob o número de prêmio DE-SC0019244 para o desenvolvimento do SUEM, e pelo US Army Research Office sob o prêmio número W911NF-19-1- 0060 para estudar a dinâmica de fotoportadores em materiais emergentes. O crescimento de cristais de arseneto de boro na Universidade de Houston foi apoiado pelo Escritório de Pesquisa Naval dos EUA sob o número de prêmio N00014-16-1-2436.
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