Nos últimos anos, físicos e engenheiros eletrônicos vêm tentando identificar materiais que possam ser usados ​​para fabricar novos tipos de dispositivos eletrônicos. Verificou-se que materiais unidimensionais (1-D) e bidimensionais (2-D) têm características particularmente vantajosas, particularmente para o desenvolvimento de novas gerações de nanoeletrônica (componentes eletrônicos em escala nano).

Esses materiais 1-D e 2-D, como o grafeno, dissulfeto de molibdênio monocamada, nanofios de silício e nanofolhas de silício, também pode desempenhar um papel crucial na indústria de semicondutores, pois eles poderiam ajudar a desenvolver transistores cada vez mais pequenos. Os transistores são os blocos básicos de muitos dispositivos eletrônicos modernos, que pode armazenar e controlar bits de informações binárias (ou seja, zeros e uns).

Apesar de suas vantagens bem documentadas, os materiais emergentes de baixa dimensão podem ter uma quantidade relativamente pequena das chamadas cargas gratuitas em comparação com os materiais 3-D. No contexto de componentes eletrônicos, uma carga gratuita é um elétron ou buraco (ou seja, falta de um elétron em uma rede atômica que atua como um elétron carregado positivamente) que não está fortemente ligado à rede atômica e, portanto, é capaz de se mover livremente através de um material em resposta a campos externos e tensões aplicadas. As cobranças gratuitas têm uma série de funções importantes, uma das quais é sua contribuição para o que é conhecido como efeito de triagem.

Na verdade, cargas gratuitas podem se redistribuir para criar perfis de potencial elétrico nítidos em materiais e dispositivos, inclusive em transistores. Portanto, quanto maior o número de cobranças gratuitas que o material possui, mais nítido será o potencial elétrico resultante. Esta função particular é especialmente crucial para o desenvolvimento de transistores de efeito de campo de túnel, que dependem fortemente do tunelamento quântico de elétrons através das junções.

Pesquisadores da Universidade McGill e da NanoAcademic Technologies identificaram recentemente uma estratégia que poderia compensar a falta de taxas gratuitas observada em materiais 1-D e 2-D. Em seu jornal, publicado em Cartas de revisão física , eles propuseram o uso desta estratégia, que se baseia na engenharia de cargas vinculadas, para desenvolver transistores de nanofios de silício.

"O transistor de efeito de campo de túnel tem dissipações de energia muito mais baixas do que os transistores convencionais, tornando-o um candidato promissor para eletrônicos de baixa potência, "Raphaël Prentki, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Para um transistor de efeito de campo de túnel com potencial elétrico mais nítido na junção de tunelamento, a junção se torna mais atravessável, levando a um melhor desempenho do dispositivo. Assim, buscamos encontrar uma maneira de compensar a falta de cargas gratuitas em materiais de baixa dimensão. "

Existem dois tipos de encargos em materiais, ou seja, cobranças gratuitas e vinculadas. Como o nome sugere, cargas livres são fracamente ligadas aos núcleos atômicos e livres para se mover, o que os torna fáceis de manipular com campos elétricos e tensões. Em contraste, cargas ligadas estão fortemente ligadas aos núcleos atômicos e só podem se mover dentro dos átomos. Embora essas cargas tenham sido identificadas há centenas de anos, eles geralmente não são considerados ou aplicados ao projetar transistores ou outros dispositivos eletrônicos.

Em seu estudo, Prentki e seus colegas desenvolveram um método para projetar cargas vinculadas em dispositivos eletrônicos de uma forma vantajosa. Eles se referem a essa estratégia de projeto como "engenharia de carga limitada".

"Especificamente, usando as equações de Maxwell, pode ser mostrado que quando um campo elétrico atravessa a interface entre dois materiais, formulários de cobrança vinculados a essa interface, "Prentki disse." Além disso, a quantidade de carga ligada é proporcional à magnitude do campo elétrico, bem como a diferença entre as permissividades dos dois materiais. A permissividade é uma propriedade do material que quantifica o quanto um material se polariza em resposta a um campo elétrico externo. "

Prentki e seus colegas mostraram que as cargas ligadas à superfície na interface entre duas regiões de um dispositivo eletrônico podem ser controladas ajustando o campo elétrico e escolhendo materiais com valores de permissividade adequados. Para criar melhores transistores de efeito de campo de túnel, os pesquisadores propõem circundar parte da junção de tunelamento com um óxido de baixa permissividade, pois isso permite a formação de carga limitada. Em seu jornal, eles consideraram essa estratégia para fabricar um transistor feito de nanofio de silício.

Em projetos de transistores de última geração existentes, o nanofio de silício é cercado por um óxido com alta permissividade, como o dióxido de háfnio, que permite uma alta capacitância de porta. Prentki e seus colegas, por outro lado, propor a ideia de circundar a região do nanofio próximo à junção de tunelamento usando dióxido de silício, um isolante com um valor de permissividade que é apenas 3,8 vezes maior que a permissividade do ar.

"Em nosso design, a carga ligada na interface de óxido de nanofio complementa as cargas livres no efeito de triagem, resultando em uma junção de túnel mais nítida, "Prentki disse." Isso resulta em um transistor de efeito de campo assistido por carga limitada com uma corrente no estado mais de 10 vezes maior do que transistores assistidos por carga não limitada, o que poderia permitir sua aplicação prática em dispositivos de computação em frequências de clock mais altas. "

Prentki e seus colegas mostraram que a engenharia de carga limitada pode ser usada para controlar o tamanho das regiões de depleção na junção entre duas regiões de transistores de efeito de campo. Isso é especialmente verdadeiro para o lugar onde a "fonte" e o "canal, as regiões "ou" canal "e" dreno "de um transistor de efeito de campo se encontram. Em outras palavras, encargos vinculados podem ser usados ​​para suportar encargos gratuitos, permitindo um efeito de triagem mais forte em transistores.

"Nosso trabalho apresenta um método geral para projetar cargas vinculadas a nosso favor em materiais e dispositivos, "Prentki disse." Isso é especialmente útil em materiais emergentes unidimensionais e bidimensionais. Por exemplo, a engenharia de carga ligada oferece aumentos de desempenho significativos em transistores de efeito de campo de túnel de nanofio de silício. "

Em seu artigo recente, os pesquisadores provaram que sua estratégia para controlar o tamanho das regiões de depleção pode ser usada para melhorar o desempenho de um tipo específico de transistor de efeito de campo de baixa potência, nomeadamente, um transistor de efeito de campo de túnel. Em seus próximos estudos, eles vão testar experimentalmente a viabilidade de sua estratégia, usando-o para realizar um transistor de efeito de campo de túnel real.

"Nossa investigação foi puramente baseada em simulação, "Prentki explicou." Embora tenhamos usado um método de simulação de última geração, apenas um sólido, a realização do dispositivo no mundo real pode provar sem sombra de dúvida que o conceito de engenharia de carga limitada realmente funciona. "

Além de provar a viabilidade da engenharia de carga limitada para criar transistores de efeito de campo de túnel de melhor desempenho usando nanofios, os pesquisadores agora gostariam de aplicar sua estratégia a outras áreas da nanoeletrônica. Por exemplo, eles gostariam de testar sua eficácia para reduzir a escala de tipos específicos de transistores.

"A engenharia de carga limitada é uma ideia muito geral estabelecida pelas leis básicas do eletromagnetismo, "Prentki acrescentou." Assim, em princípio, não se limita a aplicações nas áreas de nanoeletrônica e projeto de transistores. Portanto, também gostaríamos de aplicar este conceito a outros campos de pesquisa onde a carga vinculada e a triagem podem ser importantes, como eletrônica molecular, eletroquímica e fotossíntese artificial. "

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