A grande maioria dos dispositivos de computação hoje são feitos de silício, o segundo elemento mais abundante na Terra, depois do oxigênio. O silício pode ser encontrado em várias formas nas rochas, argila, areia, e solo. E embora não seja o melhor material semicondutor que existe no planeta, é de longe o mais facilmente disponível. Como tal, o silício é o material dominante usado na maioria dos dispositivos eletrônicos, incluindo sensores, células solares, e os circuitos integrados em nossos computadores e smartphones.

Agora, os engenheiros do MIT desenvolveram uma técnica para fabricar filmes semicondutores ultrafinos feitos de uma série de materiais exóticos além do silício. Para demonstrar sua técnica, os pesquisadores fabricaram filmes flexíveis feitos de arseneto de gálio, nitreto de gálio, e fluoreto de lítio - materiais que apresentam melhor desempenho do que o silício, mas até agora eram proibitivamente caros de produzir em dispositivos funcionais.

A nova técnica, pesquisadores dizem, fornece um método de baixo custo para fabricar eletrônicos flexíveis feitos de qualquer combinação de elementos semicondutores, que poderia ter um desempenho melhor do que os atuais dispositivos baseados em silício.

"Abrimos uma maneira de fazer eletrônicos flexíveis com tantos sistemas de materiais diferentes, além do silício, "diz Jeehwan Kim, the Class of 1947 Career Development Associate Professor nos departamentos de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais. Kim imagina que a técnica pode ser usada para fabricar de baixo custo, dispositivos de alto desempenho, como células solares flexíveis, e computadores vestíveis e sensores.

Detalhes da nova técnica são relatados hoje em Materiais da Natureza . Além de Kim, os co-autores do artigo no MIT incluem Wei Kong, Huashan Li, Kuan Qiao, Yunjo Kim, Kyusang Lee, Doyoon Lee, Tom Osadchy, Richard Molnar, Yang Yu, Sang-hoon Bae, Yang Shao-Horn, e Jeffrey Grossman, junto com pesquisadores da Sun Yat-Sen University, a Universidade da Virgínia, a Universidade do Texas em Dallas, o Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA, Universidade Estadual de Ohio, e Georgia Tech.

Agora você vê isso, agora você não

Em 2017, Kim e seus colegas desenvolveram um método para produzir "cópias" de materiais semicondutores caros usando grafeno - uma folha atomicamente fina de átomos de carbono dispostos em um hexagonal, padrão de arame de galinha. Eles descobriram que, quando empilharam grafeno em cima de um puro, wafer caro de material semicondutor, como arsenieto de gálio, então fluíam átomos de gálio e arseneto sobre a pilha, os átomos pareciam interagir de alguma forma com a camada atômica subjacente, como se o grafeno intermediário fosse invisível ou transparente. Como resultado, os átomos reunidos no preciso, padrão monocristalino da pastilha semicondutora subjacente, formando uma cópia exata que poderia então ser facilmente removida da camada de grafeno.

A tecnica, que eles chamam de "epitaxia remota, "forneceu uma maneira acessível de fabricar vários filmes de arsenieto de gálio, usando apenas um wafer subjacente caro.

Logo depois que eles relataram seus primeiros resultados, a equipe se perguntou se sua técnica poderia ser usada para copiar outros materiais semicondutores. Eles tentaram aplicar epitaxia remota ao silício, e também germânio - dois semicondutores baratos - mas descobriram que, quando eles fluíram esses átomos sobre o grafeno, eles falharam em interagir com suas respectivas camadas subjacentes. Era como se o grafeno, anteriormente transparente, tornou-se subitamente opaco, impedindo que os átomos de silício e germânio "vejam" os átomos do outro lado.

Como acontece, silício e germânio são dois elementos que existem dentro do mesmo grupo da tabela periódica de elementos. Especificamente, os dois elementos pertencem ao grupo quatro, uma classe de materiais que são ionicamente neutros, o que significa que eles não têm polaridade.

"Isso nos deu uma dica, "diz Kim.

Possivelmente, a equipe raciocinou, os átomos só podem interagir uns com os outros por meio do grafeno se tiverem alguma carga iônica. Por exemplo, no caso do arseneto de gálio, o gálio tem uma carga negativa na interface, em comparação com a carga positiva do arsênico. Essa diferença de cobrança, ou polaridade, pode ter ajudado os átomos a interagir através do grafeno como se fosse transparente, e copiar o padrão atômico subjacente.

"Descobrimos que a interação por meio do grafeno é determinada pela polaridade dos átomos. Para os materiais ligados ionicamente mais fortes, eles interagem até mesmo através de três camadas de grafeno, "Kim diz." É semelhante à maneira como dois ímãs podem atrair, mesmo através de uma folha fina de papel. "

Os opostos se atraem

Os pesquisadores testaram sua hipótese usando epitaxia remota para copiar materiais semicondutores com vários graus de polaridade, de silício neutro e germânio, ao arsenieto de gálio ligeiramente polarizado, e finalmente, fluoreto de lítio altamente polarizado - melhor, semicondutor mais caro do que o silício.

Eles descobriram que quanto maior o grau de polaridade, quanto mais forte a interação atômica, até, em alguns casos, através de várias folhas de grafeno. Cada filme que eles conseguiram produzir era flexível e tinha apenas dezenas a centenas de nanômetros de espessura.

O material através do qual os átomos interagem também é importante, a equipe encontrou. Além do grafeno, eles experimentaram com uma camada intermediária de nitreto de boro hexagonal (hBN), um material que se assemelha ao padrão atômico do grafeno e tem uma qualidade semelhante à do Teflon, permitindo que os materiais sobrepostos se descolem facilmente assim que forem copiados.

Contudo, hBN é feito de átomos de boro e nitrogênio com cargas opostas, que geram uma polaridade dentro do próprio material. Em seus experimentos, os pesquisadores descobriram que quaisquer átomos fluindo sobre hBN, mesmo se eles próprios estivessem altamente polarizados, foram incapazes de interagir com seus wafers subjacentes completamente, sugerindo que a polaridade de ambos os átomos de interesse e do material intermediário determina se os átomos irão interagir e formar uma cópia do wafer semicondutor original.

"Agora nós realmente entendemos que existem regras de interação atômica por meio do grafeno, "Kim diz.

Com este novo entendimento, ele diz, os pesquisadores agora podem simplesmente olhar para a tabela periódica e escolher dois elementos de carga oposta. Uma vez que adquirem ou fabricam um wafer principal feito dos mesmos elementos, eles podem, então, aplicar as técnicas de epitaxia remotas da equipe para fabricar vários, cópias exatas do wafer original.

"As pessoas costumam usar wafers de silício porque são baratos, "Kim diz." Agora nosso método abre uma maneira de usar alto desempenho, materiais sem silicone. Você pode apenas comprar um wafer caro e copiá-lo repetidamente, e continue reutilizando o wafer. E agora a biblioteca de materiais para esta técnica está totalmente expandida. "

Kim imagina que a epitaxia remota agora pode ser usada para fabricar ultrafinos, filmes flexíveis de uma ampla variedade de filmes anteriormente exóticos, materiais semicondutores - contanto que os materiais sejam feitos de átomos com um certo grau de polaridade. Esses filmes ultrafinos podem ser potencialmente empilhados, um em cima do outro, para produzir minúsculo, flexível, dispositivos multifuncionais, como sensores vestíveis, células solares flexíveis, e até mesmo, em um futuro distante, "telefones celulares que se prendem à pele."

"Em cidades inteligentes, onde podemos querer colocar pequenos computadores em todos os lugares, precisaríamos de baixa potência, dispositivos de computação e detecção altamente sensíveis, feito de materiais melhores, "Kim diz." Este [estudo] abre o caminho para esses dispositivos. "