Acelerando semicondutores sustentáveis ​​com ‘tinta multielementar’

Mas a fabricação de semicondutores requer muita energia. A formação de materiais semicondutores a partir de areia (óxido de silício) consome uma quantidade significativa de energia intensiva em calor, em temperaturas escaldantes de cerca de 2.700 graus Fahrenheit. E o processo de purificação e montagem de todas as matérias-primas utilizadas na fabricação de um semicondutor pode levar semanas, senão meses.

Um novo material semicondutor chamado “tinta multielementar” poderia tornar esse processo significativamente menos intensivo em termos de calor e mais sustentável. Desenvolvido por pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e da UC Berkeley, a “tinta multielementar” é o primeiro semicondutor de “alta entropia” que pode ser processado em baixa temperatura ou temperatura ambiente. A descoberta foi recentemente relatada na revista Natureza.

“A forma tradicional de fabricar dispositivos semicondutores consome muita energia e é uma das principais fontes de emissões de carbono”, disse Peidong Yang, autor sênior do estudo. Yang é cientista sênior do corpo docente da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab e professor de química e ciência e engenharia de materiais na UC Berkeley. “Nosso novo método de fabricação de semicondutores poderia abrir caminho para uma indústria de semicondutores mais sustentável.”

O avanço aproveita duas famílias únicas de materiais semicondutores: ligas duras feitas de semicondutores de alta entropia; e um material macio e flexível feito de perovskitas haleto cristalinas.

Materiais de alta entropia são sólidos feitos de cinco ou mais elementos químicos diferentes que se automontam em proporções quase iguais em um único sistema. Por muitos anos, os pesquisadores quiseram usar materiais de alta entropia para desenvolver materiais semicondutores que se automontassem com consumo mínimo de energia.

“Mas os semicondutores de alta entropia não foram estudados quase na mesma extensão. Nosso trabalho poderia ajudar a preencher significativamente essa lacuna de compreensão, “disse Yuxin Jiang, co-autor e pesquisador estudante de pós-graduação do grupo Peidong Yang com Berkeley Lab’s Divisão de Ciências de Materiais e departamento de química da UC Berkeley.

Embora os materiais convencionais de liga de alta entropia exijam muito menos energia do que o silício para serem processados ​​e fabricados, eles ainda exigem temperaturas muito altas de mais de 1.000 graus Celsius (ou mais de 1.832 graus Fahrenheit). Aumentar a escala de materiais de alta entropia para a produção em escala industrial é um desafio devido ao enorme consumo de energia.

Para superar esse obstáculo, Yang e sua equipe aproveitaram as qualidades únicas de um material solar bem estudado que intrigou os pesquisadores por muitos anos: as perovskitas haleto.

As perovskitas são facilmente processadas a partir de soluções em baixa temperatura – desde a temperatura ambiente até cerca de 300 graus Fahrenheit. Estas temperaturas de processamento mais baixas poderão um dia reduzir drasticamente os custos de energia para os fabricantes de semicondutores.

Para o novo estudo, Yang e sua equipe aproveitaram esse menor requisito de energia para sintetizar cristais únicos de persovskita haleto de alta entropia a partir de uma solução em condições de temperatura ambiente ou baixa temperatura (80 graus Celsius ou 176 graus Fahrenheit).

Devido à sua natureza de ligação iônica, as estruturas cristalinas de haleto de perovskita requerem energia significativamente menor para se formarem em comparação com outros sistemas materiais, explicou Yang.

Experimentos na Advanced Light Source do Berkeley Lab confirmaram que os cristais octaédricos e cuboctaédricos resultantes são cristais únicos de haleto de perovskita de alta entropia: um conjunto feito de cinco elementos (SnTeReIrPt ou ZrSnTeHfPt) e outro conjunto feito de seis elementos (SnTeReOsIrPt ou ZrSnTeHfRePt). Os cristais têm aproximadamente 30-100 micrômetros de diâmetro. (Um micrômetro equivale a um bilionésimo de metro, que é aproximadamente do tamanho de uma partícula de poeira.)

A técnica de baixa temperatura/temperatura ambiente produz semicondutores de cristal único poucas horas após a mistura de uma solução e precipitação, muito mais rápido do que as técnicas convencionais de fabricação de semicondutores.

“Intuitivamente, fabricar esses semicondutores é como empilhar ‘LEGOs’ moleculares de formato octaédrico em monocristais octaédricos maiores”, disse Yang. “Imaginando que cada um desses LEGOs moleculares individuais emitirá em diferentes comprimentos de onda, pode-se, em princípio, projetar um material semicondutor que emitiria uma cor arbitrária, selecionando diferentes LEGOs octaédricos moleculares”, explicou ele. Os autores demonstraram esse conceito imprimindo o logotipo do California Golden Bears.

A estabilidade à temperatura ambiente tem sido um problema para o avanço das perovskitas de haleto prontas para uso comercial, mas em um experimento de bancada para o novo estudo, a perovskita de haleto de “tinta multielementar” de alta entropia surpreendeu a equipe de pesquisa com uma impressionante estabilidade ao ar ambiente de pelo menos pelo menos seis meses.

Yang disse que a tinta multielementar tem uma série de aplicações potenciais, particularmente como LED com ajuste de cor ou outro dispositivo de iluminação de estado sólido, ou como termoelétrica para recuperação de calor residual. Além disso, o material poderia servir potencialmente como um componente programável em um dispositivo de computação óptica que utiliza luz para transferir ou armazenar dados.

“Nossos cristais semicondutores de haleto-perovskita de alta entropia, com seus métodos de temperatura ambiente e de baixa temperatura, podem ser incorporados em um dispositivo eletrônico sem destruir as outras camadas necessárias, permitindo assim um design mais fácil de dispositivos eletrônicos e um uso mais difundido de materiais de alta entropia em dispositivos eletrônicos”, disse a coautora Maria Folgueras, ex-aluna de pós-graduação do grupo Peidong Yang no Berkeley Lab e UC Berkeley.

“Podemos imaginar que cada um desses LEGOs octaédricos poderia carregar algum tipo de informação ‘genética’, assim como os pares de bases do DNA carregam nossa informação genética”, disse Yang. “Seria muito fascinante se um dia pudéssemos codificar e decodificar esses semicondutores moleculares LEGO para aplicações de ciência da informação.”

Os próximos pesquisadores planejam continuar projetando materiais semicondutores sustentáveis ​​para iluminação de estado sólido e aplicações de exibição.

A Advanced Light Source é uma instalação de usuário localizada no Berkeley Lab.

Este trabalho foi apoiado pelo DOE Office of Science.