O silício é um dos elementos mais abundantes na Terra e, em sua forma pura, o material tornou-se a base de grande parte da tecnologia moderna, de células solares a chips de computador. Mas as propriedades do silício como semicondutor estão longe de ser ideais.
Por um lado, embora o silício permita que os elétrons passem facilmente por sua estrutura, ele é muito menos acomodado a "buracos" - os equivalentes de elétrons carregados positivamente - e aproveitar ambos é importante para alguns tipos de chips. Além disso, o silício não é muito bom em conduzir calor, e é por isso que problemas de superaquecimento e sistemas de resfriamento caros são comuns em computadores.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT, da Universidade de Houston e de outras instituições realizou experimentos mostrando que um material conhecido como arseneto de boro cúbico supera essas duas limitações. Ele fornece alta mobilidade para elétrons e buracos e possui excelente condutividade térmica. É, dizem os pesquisadores, o melhor material semicondutor já encontrado, e talvez o melhor possível.

Até agora, o arseneto de boro cúbico só foi feito e testado em pequenos lotes em escala de laboratório que não são uniformes. Os pesquisadores tiveram que usar métodos especiais originalmente desenvolvidos pelo ex-pós-doutorado do MIT Bai Song para testar pequenas regiões dentro do material. Mais trabalho será necessário para determinar se o arseneto de boro cúbico pode ser feito de forma prática e econômica, muito menos substituir o silício onipresente. Mas mesmo em um futuro próximo, o material pode encontrar alguns usos onde suas propriedades únicas fariam uma diferença significativa, dizem os pesquisadores.

As descobertas são relatadas na revista Science , em um artigo do pós-doutorando do MIT Jungwoo Shin e do professor de engenharia mecânica do MIT Gang Chen; Zhifeng Ren na Universidade de Houston; e outros 14 no MIT, na Universidade de Houston, na Universidade do Texas em Austin e no Boston College.

Pesquisas anteriores, incluindo o trabalho de David Broido, co-autor do novo artigo, previram teoricamente que o material teria alta condutividade térmica; trabalhos subsequentes provaram essa previsão experimentalmente. Este último trabalho completa a análise, confirmando experimentalmente uma previsão feita pelo grupo de Chen em 2018:que o arseneto de boro cúbico também teria mobilidade muito alta para elétrons e buracos, “o que torna esse material realmente único”, diz Chen.

Os experimentos anteriores mostraram que a condutividade térmica do arseneto de boro cúbico é quase 10 vezes maior que a do silício. "Então, isso é muito atraente apenas para dissipação de calor", diz Chen. Eles também mostraram que o material tem um bandgap muito bom, uma propriedade que lhe confere grande potencial como material semicondutor.

Agora, o novo trabalho preenche o quadro, mostrando que com sua alta mobilidade tanto para elétrons quanto para buracos, o arseneto de boro tem todas as principais qualidades necessárias para um semicondutor ideal. "Isso é importante porque é claro que em semicondutores temos cargas positivas e negativas de forma equivalente. Então, se você construir um dispositivo, você quer ter um material onde elétrons e buracos viajem com menos resistência", diz Chen.

O silício tem boa mobilidade de elétrons, mas baixa mobilidade de buracos, e outros materiais como o arseneto de gálio, amplamente utilizado para lasers, também têm boa mobilidade para elétrons, mas não para buracos.

"O calor é agora um grande gargalo para muitos eletrônicos", diz Shin, principal autor do artigo. "O carboneto de silício está substituindo o silício para a eletrônica de potência nas principais indústrias de EV, incluindo Tesla, uma vez que tem uma condutividade térmica três vezes maior do que o silício, apesar de suas mobilidades elétricas mais baixas. Imagine o que os arsenetos de boro podem alcançar, com condutividade térmica 10 vezes maior e mobilidade muito maior do que silício. Pode ser um divisor de águas."

Shin acrescenta:"O marco crítico que torna essa descoberta possível são os avanços nos sistemas de grade a laser ultrarrápidos no MIT", inicialmente desenvolvidos por Song. Sem essa técnica, diz ele, não teria sido possível demonstrar a alta mobilidade do material para elétrons e buracos.

As propriedades eletrônicas do arseneto de boro cúbico foram inicialmente previstas com base em cálculos da função de densidade mecânica quântica feitos pelo grupo de Chen, diz ele, e essas previsões agora foram validadas por meio de experimentos realizados no MIT, usando métodos de detecção óptica em amostras feitas por Ren e membros do a equipe da Universidade de Houston.

Não só a condutividade térmica do material é a melhor de qualquer semicondutor, dizem os pesquisadores, como também tem a terceira melhor condutividade térmica de qualquer material – ao lado do diamante e do nitreto cúbico de boro enriquecido isotopicamente. “E agora, previmos o comportamento da mecânica quântica de elétrons e buracos, também a partir de primeiros princípios, e isso também é comprovado”, diz Chen.

"This is impressive, because I actually don't know of any other material, other than graphene, that has all these properties," he says. "And this is a bulk material that has these properties."

The challenge now, he says, is to figure out practical ways of making this material in usable quantities. The current methods of making it produce very non-uniform material, so the team had to find ways to test just small local patches of the material that were uniform enough to provide reliable data. While they have demonstrated the great potential of this material, "whether or where it's going to actually be used, we do not know," Chen says.

"Silicon is the workhorse of the entire industry," says Chen. "So, okay, we've got a material that's better, but is it actually going to offset the industry? We don't know." While the material appears to be almost an ideal semiconductor, "whether it can actually get into a device and replace some of the current market, I think that still has yet to be proven."

And while the thermal and electrical properties have been shown to be excellent, there are many other properties of a material that have yet to be tested, such as its long-term stability, Chen says. "To make devices, there are many other factors that we don't know yet."

He adds, "This potentially could be really important, and people haven't really even paid attention to this material." Now that boron arsenide's desirable properties have become more clear, suggesting the material is "in many ways the best semiconductor," he says, "maybe there will be more attention paid to this material."

For commercial uses, Ren says, "One grand challenge would be how to produce and purify cubic boron arsenide as effectively as silicon. … Silicon took decades to win the crown, having purity of over 99.99999999 percent, or '10 nines' for mass production today."

For it to become practical on the market, Chen says, "it really requires more people to develop different ways to make better materials and characterize them." Whether the necessary funding for such development will be available remains to be seen, he says.