Óxidos isolantes são compostos contendo oxigênio que não conduzem eletricidade, mas às vezes pode formar interfaces condutoras quando são colocadas em camadas com precisão. Os elétrons condutores na interface formam um gás de elétron bidimensional (2DEG) que possui propriedades quânticas exóticas que tornam o sistema potencialmente útil em aplicações eletrônicas e fotônicas.

Pesquisadores da Universidade de Yale agora desenvolveram um sistema 2DEG em arsenieto de gálio, um semicondutor eficiente na absorção e emissão de luz. Este desenvolvimento é promissor para novos dispositivos eletrônicos que interagem com a luz, como novos tipos de transistores, interruptores supercondutores e sensores de gás.

"Eu vejo isso como um alicerce para a eletrônica de óxido, "disse Lior Kornblum, agora do Technion - Instituto de Tecnologia de Israel, quem descreve a nova pesquisa que aparece esta semana no Journal of Applied Physics .

Os 2DEGs de óxido foram descobertos em 2004. Os pesquisadores ficaram surpresos ao descobrir que ensanduichar duas camadas de alguns óxidos isolantes pode gerar elétrons condutores que se comportam como um gás ou líquido próximo à interface entre os óxidos e podem transportar informações.

Os pesquisadores já observaram 2DEGs com semicondutores, mas 2DEGs de óxido têm densidades de elétrons muito maiores, tornando-os candidatos promissores para algumas aplicações eletrônicas. 2DEGs de óxido têm propriedades quânticas interessantes, atraindo interesse em suas propriedades fundamentais também. Por exemplo, os sistemas parecem exibir uma combinação de comportamentos magnéticos e supercondutividade.

Geralmente, é difícil produzir 2DEGs de óxido em massa porque apenas pequenos pedaços dos cristais de óxido necessários são obtidos, Kornblum disse. Se, Contudo, os pesquisadores podem cultivar os óxidos em grandes, wafers de semicondutores disponíveis comercialmente, eles podem então dimensionar 2DEGs de óxido para aplicações do mundo real. O crescimento de 2DEGs de óxido em semicondutores também permite que os pesquisadores integrem melhor as estruturas com a eletrônica convencional. De acordo com Kornblum, permitir que os elétrons do óxido interajam com os elétrons no semicondutor pode levar a uma nova funcionalidade e a mais tipos de dispositivos.

Anteriormente, a equipe de Yale cultivava 2DEGs de óxido em wafers de silício. No novo trabalho, eles cresceram com sucesso 2DEGs de óxido em outro semicondutor importante, arsenieto de gálio, o que provou ser mais desafiador.

A maioria dos semicondutores reage com o oxigênio do ar e forma uma camada superficial desordenada, que deve ser removido antes de crescer esses óxidos no semicondutor. Para silício, a remoção é relativamente fácil - os pesquisadores aquecem o semicondutor no vácuo. Esta abordagem, Contudo, não funciona bem com arseneto de gálio.

Em vez de, a equipe de pesquisa revestiu uma superfície limpa de um wafer de arsenieto de gálio com uma camada de arsênico. O arsênico protegeu a superfície do semicondutor do ar enquanto eles transferiam o wafer para um instrumento que desenvolve óxidos usando um método chamado epitaxia de feixe molecular. Isso permite que um material cresça em outro, enquanto mantém uma estrutura de cristal ordenada na interface.

Próximo, os pesquisadores aqueceram suavemente o wafer para evaporar a fina camada de arsênico, expondo a superfície do semicondutor imaculado abaixo. Eles então cultivaram um óxido chamado SrTiO3 no arsenieto de gálio e, imediatamente depois, outra camada de óxido de GdTiO3. Este processo formou um 2DEG entre os óxidos.

O arsenieto de gálio é apenas um de toda uma classe de materiais chamados semicondutores III-V, e este trabalho abre um caminho para integrar 2DEGs de óxido com outros.

"A capacidade de acoplar ou integrar esses interessantes gases óxidos de elétrons bidimensionais com arsenieto de gálio abre caminho para dispositivos que poderiam se beneficiar das propriedades elétricas e ópticas do semicondutor, "Kornblum disse." Este é um material de passagem para outros membros desta família de semicondutores. "