Estudo melhora a compreensão de provável candidato para chips de próxima geração

Os chips de computador de silício nos serviram bem por mais de meio século. Os menores recursos em chips vendidos atualmente têm aproximadamente 3 nanômetros — um tamanho surpreendentemente pequeno, dado que um fio de cabelo humano tem aproximadamente 80.000 nanômetros de largura. Reduzir o tamanho dos recursos em chips nos ajudará a atender à nossa necessidade infinita de mais memória e poder de processamento na palma da nossa mão. Mas o limite do que pode ser alcançado com materiais e processos padrão está próximo.

Pesquisadores do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) estão aplicando sua expertise em física, química e modelagem computacional para criar a próxima geração de chips de computador, visando processos e materiais que produzirão chips com recursos menores.

“Todos os nossos dispositivos eletrônicos existentes usam chips feitos de silício, que é um material tridimensional. Agora, muitas empresas estão investindo muito em chips feitos de materiais bidimensionais”, disse Shoaib Khalid, um físico pesquisador associado da PPPL. Os materiais realmente existem em três dimensões, mas são tão finos — geralmente compostos de apenas algumas camadas de átomos — que os cientistas passaram a chamá-los de 2D.

Khalid, junto com Bharat Medasani e Anderson Janotti da PPPL da University of Delaware, investigaram um possível substituto do silício: um material 2D conhecido como dichalcogeneto de metal de transição (TMD). Seu artigo, publicado no periódico Materiais 2Ddetalha as variações que podem ocorrer na estrutura atômica dos TMDs, por que elas acontecem e como afetam o material.

Informações sobre essas variações estabelecem a base para refinar os processos necessários para criar chips de computador de próxima geração. Em última análise, o objetivo é projetar sistemas de fabricação baseados em plasma que possam criar semicondutores baseados em TMD feitos de acordo com as especificações precisas necessárias para a aplicação.

TMD: Um pequeno sanduíche de metal

Um TMD pode ter a espessura de três átomos de altura. Pense nele como um pequeno sanduíche de metal. O pão é feito de um elemento calcogênio: oxigênio, enxofre, selênio ou telúrio. O recheio é uma camada de metal de transição — qualquer metal dos grupos 3 a 12 na tabela periódica de elementos.

Um TMD em massa tem cinco ou mais camadas de átomos. Os átomos são organizados em uma estrutura cristalina ou rede. Idealmente, os átomos são organizados em um padrão preciso e consistente por toda a rede.

Na realidade, pequenas alterações podem ser encontradas no padrão. Um ponto no padrão pode estar faltando um átomo, ou um átomo pode ser encontrado em um local estranho. Os cientistas chamam essas alterações de defeitos, mas elas podem ter um impacto benéfico no material.

Alguns defeitos de TMD, por exemplo, podem tornar o semicondutor mais eletricamente condutivo. Bom ou ruim, é essencial que os cientistas entendam por que os defeitos acontecem e como eles afetarão o material para que possam incorporar ou eliminar esses defeitos conforme necessário. Entender defeitos comuns também permite que os pesquisadores expliquem os resultados de experimentos anteriores com TMDs.

“Quando TMDs em massa são feitos, eles têm elétrons em excesso”, disse Khalid, acrescentando que os pesquisadores não tinham certeza do porquê essas partículas carregadas negativamente em excesso estavam presentes. “Neste trabalho, explicamos que os elétrons em excesso podem ser causados ​​por hidrogênio.”

Os pesquisadores chegaram a essa conclusão após calcular a quantidade de energia que seria necessária para formar diferentes tipos de defeitos de TMD. Eles observaram defeitos envolvendo vacâncias de calcogênio, que eram previamente conhecidas por estarem presentes em TMDs, e defeitos envolvendo hidrogênio porque esse elemento está frequentemente presente durante o processo de fabricação do chip.

Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​em descobrir quais defeitos exigem energia mínima de formação porque esses são os que têm maior probabilidade de ocorrer — não é preciso muita energia para que aconteçam.

A equipe então investigou o papel de cada um dos defeitos de baixa energia de formação. Especificamente, eles queriam saber como cada configuração de defeito poderia impactar a carga elétrica do material.

Os pesquisadores descobriram que uma das configurações de defeitos envolvendo hidrogênio fornece elétrons em excesso, o que cria material semicondutor com carga negativa, conhecido como tipo n. Chips de computador são feitos usando combinações de material semicondutor tipo n e material com carga positiva, ou tipo p.

Lançando luz sobre os calcogênios ausentes

O outro tipo de defeito explorado no artigo é conhecido como vacância de calcogênio: um átomo faltante de oxigênio, enxofre, selênio ou telúrio, dependendo do tipo de TMD. Os pesquisadores se concentraram em explicar os resultados de experimentos anteriores em flocos do material TMD a granel, dissulfeto de molibdênio.

Os experimentos, que envolveram luz brilhante no TMD, mostraram frequências inesperadas de luz vindas do TMD. Essas frequências inesperadas, os pesquisadores descobriram, poderiam ser explicadas pelo movimento de elétrons relacionados à vacância de calcogênio.

“Este é um defeito comum. Eles podem frequentemente vê-lo nas imagens de microscópios de tunelamento de varredura quando eles cultivam o filme TMD”, disse Khalid. “Nosso trabalho fornece uma estratégia para investigar a presença dessas vacâncias nos TMDs em massa. Explicamos resultados experimentais anteriores mostrados em dissulfeto de molibdênio e, então, previmos algo semelhante para outros TMDs.”

O processo sugerido pelos pesquisadores envolve analisar o TMD para defeitos usando técnicas de medição chamadas fotoluminescência para ver quais frequências de luz são emitidas pelo material. A frequência de pico da luz pode ser usada para determinar as configurações eletrônicas dos átomos no TMD e a presença de defeitos de calcogênio.

O artigo do periódico inclui informações sobre as frequências que seriam emitidas por cinco tipos de TMDs com vacâncias de calcogênio, incluindo dissulfeto de molibdênio. Os resultados, portanto, fornecem uma diretriz para investigar vacâncias de calcogênio em experimentos futuros.