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Pesquisadores da Monash University demonstraram uma maneira nova e contra-intuitiva de proteger eletrônicos atomicamente finos – adicionando vibrações, para reduzir as vibrações.
Ao ‘espremer’ uma fina gota de gálio líquido, os dispositivos de grafeno são pintados com uma camada protetora de vidro, óxido de gálio.
Este óxido é notavelmente fino, com menos de 100 átomos, mas cobre escalas centimétricas, tornando-o potencialmente aplicável para fabricação industrial em larga escala. Os atuais transistores de fronteira “2nm” da IBM usam portas de espessura semelhante, próximas a 10nm (140 átomos).
“Transferir mecanicamente essas nanofolhas de área grande é bastante inovador”, diz o principal autor do estudo, Matthew Gebert.
O óxido fornece um novo método de proteção do dispositivo, além de melhorar o desempenho do dispositivo:
“O óxido não apenas melhora e protege nossos dispositivos quando o transferimos pela primeira vez, mas também mais tarde, durante o processamento e fabricação subsequentes”, diz o co-autor Semonti Bhattacharyya.
O desempenho aprimorado do óxido de gálio se deve em parte às propriedades dielétricas de alto K do material, um componente-chave na longa marcha rumo à miniaturização de dispositivos e à redução do desperdício de energia.
O óxido de gálio protetor também produz um resultado surpreendente, reduzindo a resistência elétrica no grafeno causada por vibrações térmicas devido ao calor nos materiais circundantes.
“Isso é surpreendente porque, na verdade, estamos adicionando extra vibrações, para reduzir total vibrações”, diz Matt.
Esta é a primeira vez que tal estratégia para reduzir a resistência devido a vibrações térmicas foi demonstrada em um dispositivo de grafeno.
PROTEÇÃO DE UM AMBIENTE DANOSO
A equipe Monash do ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) usou uma nova técnica de impressão de metal líquido para criar óxido de gálio (Ga2O3) vidro. Este método foi desenvolvido por colaboradores do FLEET na RMIT, que usaram o novo vidro em uma variedade de aplicações eletrônicas.
A película de vidro que se forma na superfície das gotículas de gálio metálico líquido é mais de 5.000 vezes mais fina que um fio de cabelo humano, mas pode ser “impressa” de forma confiável a partir da superfície do metal líquido para formar camadas contínuas uniformes em áreas centimétricas.
O método de metal líquido oferece duas vantagens para proteger os dispositivos. O método de impressão em camadas evita danos ao crescimento, enquanto a camada transferida é uma boa barreira para processamento posterior.
O encapsulamento de óxido de gálio não apenas oferece proteção, mas também pode melhorar o desempenho por causa de suas qualidades dielétricas de alto K. Os dielétricos de alto K não foram fáceis de integrar com o grafeno, pois o crescimento desses materiais geralmente envolve o bombardeio de átomos altamente energéticos.
Como o encapsulamento de óxido de gálio é uma técnica de transferência mecânica (“pense em empilhamento de empilhadeira”, diz Matthew Gebert), é fundamentalmente diferente dos métodos alternativos de deposição (como deposição de camada atômica, evaporação, pulverização catódica e deposição de vapor) que possuem atributos indesejáveis, como requisitos de alta temperatura.
Como o gálio metálico é líquido próximo à temperatura ambiente (30o C), este processo tem muitas vantagens para adoção industrial. Na verdade, o óxido de gálio pode ser usado como uma camada tampão antes do processamento adicional usando esses outros métodos.
A equipe da Monash demonstrou que o óxido de gálio protegeu o grafeno contra danos na superfície ao testar seus dispositivos de grafeno com ferramentas de crescimento industrial. A deposição de outra camada de óxido danificou apenas as áreas descobertas do grafeno, enquanto as áreas cobertas pelo óxido de gálio mantiveram suas qualidades.
CAMADAS DIELÉTRICAS E SUA IMPORTÂNCIA NA COMPUTAÇÃO
Materiais eletricamente isolantes (dielétricos) são particularmente importantes na função dos transistores, os “interruptores” microscópicos no coração da eletrônica e da computação. Esses materiais dielétricos permitem que um transistor ligue ou desligue sem vazamento de energia, o que, por sua vez, permite que você use seu telefone/PC.
Para “comutar” um transistor, os elétrons se acumulam no material dielétrico para criar uma tensão e influenciar o dispositivo. No entanto, dielétricos mais finos vazam corrente – reduzindo a capacidade de comutação – e desperdiçando corrente como calor. Os dielétricos de alto K são importantes porque aumentam a eficácia da chave, permitindo uma redução na fuga de corrente e consequentemente no desperdício de energia.
No entanto, mesmo os dispositivos dielétricos de alto K não são imunes ao tamanho. À medida que os materiais eletrônicos ficam menores e mais finos à medida que marchamos incansavelmente para amontoar mais transistores (para obedecer à Lei de Moore), os materiais tornam-se fortemente influenciados pelas superfícies dos materiais vizinhos, muitas vezes resultando em uma queda de desempenho. Isso explica por que o grafeno costuma ser danificado por dielétricos de alto K.
Um desses fenômenos degradantes que ocorrem nas superfícies são as vibrações dos materiais.
VANTAGEM DE VIBRAÇÕES E ÓXIDO DE GÁLIO
As vibrações dos materiais devido ao calor, que causam resistência elétrica nos materiais, são chamadas de fônons. Essas vibrações (fônons) fazem com que os átomos de um sólido oscilem, e os elétrons que fluem saltam dessas oscilações e mudam de direção, levando à resistência elétrica.
As vibrações térmicas dos átomos de carbono no próprio grafeno causam notavelmente pouca resistência, razão pela qual o grafeno é um material tão útil para a eletrônica.
No entanto, a natureza fina do grafeno (apenas um átomo de espessura) significa que as vibrações térmicas em em torno da Materiais (remotos) podem ter um grande efeito sobre os elétrons no grafeno, e estes são a causa predominante da resistência elétrica no grafeno à temperatura ambiente.
À medida que as temperaturas aumentam, mais fônons são excitados, aumentando a resistência pela dispersão de elétrons.
“Você pode pensar neste cenário como uma cerca”, explica Matt Gebert, candidato a doutorado na Monash University/FLEET.
“A cerca (o grafeno 2D) é afetada pelas ações dos vizinhos de ambos os lados (os materiais isolantes de cada lado do grafeno). Um vizinho pode ter um ambiente limpo do seu lado da cerca (um bom isolante, com poucos fônons ) mas o outro vizinho pode ter um jardim coberto de vegetação que danifica a cerca (um isolante ruim com fônons fortes)…”
“Então, no final, sua cerca (grafeno) não serve ao propósito a que se destina, talvez nem mesmo formando uma cerca completa (circuito eletrônico) mais!”
Para investigar as qualidades protetoras do óxido de gálio, a equipe transferiu mecanicamente grandes áreas para dispositivos de grafeno.
Medições subseqüentes confirmaram que as propriedades eletrônicas do grafeno em várias temperaturas e populações de elétrons foram mantidas – ou seja, alta mobilidade de elétrons (uma propriedade muito útil de um transistor) é preservada.
“Surpreendentemente, adicionar a camada de Ga2O3 vidro reduz a resistência elétrica no grafeno devido à dispersão de fônons”, explica Matt.
(Isso é verdade em uma faixa alvo de temperaturas, que está ligeiramente abaixo da temperatura ambiente.)
“Isso é contra-intuitivo, porque ao adicionar este material, você está introduzindo fônons adicionais. Então você pode pensar: quanto mais fônons, maior seria a resistência esperada!”
No entanto, esses resultados concordam com as teorias existentes de fônons em isoladores. Ga2O3 hospeda fônons fortes, mas essa mesma propriedade também permite ajustar sua própria configuração atômica para ‘proteger’ o campo elétrico dos fônons no vidro de dióxido de silício do outro lado do grafeno.
Ajudando ainda mais a situação, o forte Ga2O3 fônons são modos que requerem alta energia para serem preenchidos. Como resultado, Ga2O3 os fônons só se tornam ativos em temperaturas mais altas (com mais energia térmica) e isso resulta em menor resistência geral no grafeno até uma temperatura de -53oC (220K). O óxido de gálio está captando (apenas as) boas vibrações.
NOVOS CAMINHOS PARA O DESEMPENHO DO DISPOSITIVO.
Essa estratégia, para reduzir o conteúdo geral de fônons, é demonstrada pela primeira vez e pode ser usada para identificar materiais híbridos de melhor desempenho à temperatura ambiente para eletrônica 2D.
Um material dielétrico semelhante com modos de fônon de maior energia do que Ga2O3 poderia fazer uma boa parceria com as tecnologias de silício existentes, que atualmente estão sendo levadas aos seus limites de escala quântica.
A técnica de impressão de metal líquido é um método versátil para parceiros industriais. O processo de impressão por toque Ga2O3 escalas para grandes áreas de escala de wafer, é muito automatizável e tem mostrado boa reprodutibilidade, indicando seu mérito para a adoção da indústria.
Gálio metálico, que funde a cerca de 30oC, e o equipamento de transferência também são baratos em comparação com outros métodos de deposição de óxido que requerem grandes quantidades de material ou temperaturas muito elevadas.
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