(PhysOrg.com) - A câmera do seu telefone coleta luz no silício e traduz essa informação em bits digitais. Uma das razões pelas quais essas câmeras e telefones continuam a melhorar é que os pesquisadores estão desenvolvendo novos materiais que absorvem mais luz, use menos energia, e são mais baratos de produzir.
Agora, Os pesquisadores de ciência e engenharia de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison introduziram inovações que podem tornar possível uma ampla gama de novos materiais cristalinos. Artigo na edição da web de 8 de junho da revista American Chemical Society ACS Nano , Os assistentes de pesquisa Deborah Paskiewicz e Boy Tanto, juntamente com o cientista Donald Savage e Erwin W. Mueller, professor e professor Bascom de Surface Science Max Lagally, descrevem uma nova abordagem para o uso de folhas finas de semicondutores conhecidas como nanomembranas.
O alongamento controlado dessas membranas via epitaxia permite que a equipe fabrique nanomembranas de silício-germânio totalmente relaxadas elasticamente para uso como substratos de crescimento para novos materiais. A equipe cultivou camadas de germânio de silício sem defeitos com qualquer concentração de germânio desejada em substratos de silício e, em seguida, liberou as camadas de germânio de silício do silício rígido, permitindo que eles relaxem completamente como nanomateriais independentes. O filme de silício-germânio é então transferido para um novo hospedeiro e colado lá. A partir deste estágio, um cristal de germânio de silício livre de defeitos pode ser cultivado (algo que não é possível com a tecnologia atual), ou a membrana de silício-germânio pode ser usada como um substrato único para cultivar outros materiais.
Epitaxia, crescimento que controla o arranjo dos átomos em camadas finas em um substrato, é a tecnologia fundamental subjacente ao uso desses novos materiais pela indústria de semicondutores. Combinando elementos, pesquisadores podem cultivar materiais com propriedades únicas que possibilitam novos tipos de sensores ou alta velocidade, baixo consumo de energia, eletrônica avançada eficiente. É a capacidade de cultivá-los sem defeitos prejudiciais que torna essas ligas úteis para a indústria de semicondutores. Contudo, a fabricação de cristais de alta qualidade que combinam dois ou mais elementos enfrenta limitações significativas que incomodam os pesquisadores há décadas.
“Muitos materiais compostos por mais de um elemento simplesmente não podem ser usados. As distâncias entre os átomos não são as mesmas, ”Diz Lagally. “Quando alguém começa a crescer tal camada, os átomos começam a interferir uns nos outros e logo o material não pode mais crescer como um único cristal porque passa a ter defeitos nele. Eventualmente, ele se quebra em pequenos cristais e se torna policristalino, ou mesmo rachaduras. ”
Além de seu uso na indústria de semicondutores, silício germânio é importante para o campo nascente da computação quântica. Um computador quântico faz uso direto de fenômenos da mecânica quântica, como superposição e emaranhamento, para realizar cálculos. Os computadores atuais são limitados a dois estados; ligado e desligado, ou zero e um. Com superposição, computadores quânticos codificam informações como bits quânticos. Esses bits representam os estados variáveis e o funcionamento interno dos átomos e elétrons. Ao manipular esses vários estados simultaneamente, um computador quântico de grande escala, se pode ser construído, poderia ser milhões de vezes mais poderoso do que o supercomputador clássico mais poderoso de hoje.
O professor de física da UW-Madison, Mark Eriksson, usa silício-germânio para fazer gases de elétrons bidimensionais. "Um 'gás de elétron bidimensional' é uma camada de um semicondutor em que as cargas são capazes de se mover livremente por grandes distâncias, em analogia com átomos em um gás real, exceto confinado a uma camada fina e, portanto, bidimensional. Para computação quântica, esse gás de elétron 2-D é formado em uma camada de silício deformada que cresce sobre um substrato de silício-germânio. Eletrodos colocados no topo de uma estrutura contendo o gás de elétron 2-D na camada de silício tensionado permitem que se mova e controle elétrons individuais, transformando regiões do poço quântico em 'baldes de elétrons, 'Se você quiser, que são definidos pelos campos elétricos dos eletrodos superiores, "diz Lagally.
Um grande obstáculo para o desenvolvimento de um computador quântico é a criação de vários baldes quânticos tão semelhantes quanto possível. Para fazer um progresso rápido, os pesquisadores precisam de materiais consistentes e com baixo defeito.
“Com os substratos de silício-germânio que temos usado, os campos eletrostáticos podem ser bastante incertos por causa dos defeitos no substrato, ”Diz Lagally. “Acreditamos que nosso novo processo pode consertar isso. Como o material do substrato é uniforme, sem defeitos, deve trazer mais previsibilidade e controle aos esforços de Mark. ”
Além do silício germânio, Lagally diz que o processo deve funcionar para uma ampla gama de materiais exóticos que não podem ser cultivados a granel, mas têm propriedades interessantes. O professor associado de ciência e engenharia de materiais Paul Evans desenvolve novas maneiras de sondar e aplicar esses materiais.
“Os substratos finos sem defeitos que podem ser produzidos pela transferência e relaxamento dessas camadas apresentam oportunidades interessantes no crescimento de materiais além do silício e outros semicondutores tradicionais, ”Evans diz. “Com esta abordagem, será possível produzir substratos livres de defeitos de materiais para os quais não existam materiais a granel de alta qualidade cristalina. Em óxidos complexos, isso pode levar a substratos finos que estabilizam fases ferroelétricas ou dielétricas específicas. Isso pode levar a melhores osciladores, sensores e dispositivos ópticos, que são importantes para os telefones celulares, câmeras e computadores que usamos todos os dias. ”
