Os componentes eletrônicos geralmente têm apenas alguns nanômetros de tamanho. De acordo com a Lei de Moore, um transistor diminui de tamanho a cada dois anos, por exemplo, que é a única possibilidade de colocar dois bilhões de transistores em um nanoformato em um chip de smartphone. Os pequenos dispositivos garantem que o smartphone possa acompanhar as demandas em constante mudança - para ser um telefone e uma câmera, bem como uma câmera de vídeo de qualidade, motor de pesquisa, monitor de saúde pessoal e animador. E ao fazer isso, os componentes precisam funcionar com eficiência energética e ser produtivos a custos baixos.

Quanto mais minúsculos os componentes eletrônicos, Contudo, mais difíceis de fabricar. A título de comparação:um glóbulo vermelho tem 7, 000 nanômetros de diâmetro, um cabelo humano 80, 000. Consequentemente, produzir um transistor de 20 nanômetros ou menos a partir de semicondutores como o elemento silício não é apenas um desafio técnico. Efeitos físicos, os chamados padrões de mecânica quântica, alteram as propriedades dos materiais em escala nanométrica, o que complica a vida de designers e engenheiros no desenvolvimento e construção de nanodispositivos. Mathieu Luisier, professor da ETH-Zurich, do Laboratório de Sistemas Integrados, veio agora para o resgate.

Previsões de computador

Luisier passou mais de dez anos aprimorando um programa de software que simula os transistores do futuro, que têm apenas alguns nanômetros de tamanho. Ele é apoiado pelo supercomputador CSCS "Piz Daint", o que ajuda a prever o que acontece quando a composição, a forma e o tamanho dos materiais mudam no nanomundo. No que diz respeito a Luisier, "Piz Daint" é atualmente a melhor e mais eficiente máquina de simulação na busca por novos, combinações ideais de materiais. O trabalho do professor da ETH-Zurique foi recebido com grande interesse na indústria, pois as simulações economizam tempo de experimentação e custos no desenvolvimento de novos, componentes eletrônicos eficientes.

Um problema quando bilhões de transistores convencionais são colocados em um chip é que eles geram uma grande quantidade de calor e superaquecem facilmente. Isso ocorre porque os elétrons liberam energia em seu caminho através do transistor. Luisier e sua equipe usam seu software OMEN - o chamado simulador quântico - para simular o transporte de elétrons em nível atômico a fim de estudar exatamente o que acontece. O transistor simulado consiste em um nanofio feito de cristais de silício. "Quando os elétrons fluem através do fio, eles inicialmente possuem uma constante, grande quantidade de energia, que diminui gradualmente e é absorvido pela estrutura cristalina do silício na forma dos chamados fônons, "explica Luisier. A interação entre os elétrons e os fônons aquece o cristal e a energia geral permanece intacta - evidência para os pesquisadores de que seu modelo reproduz o processo corretamente. O objetivo agora é construir o transistor com base nos resultados obtidos nas simulações em de forma que os elétrons percam o mínimo de energia possível ao longo do caminho.

Brincando com cristais

Por um lado, os pesquisadores são capazes de "brincar" com a ordem dos diferentes níveis de cristal no cristal e alterar a estrutura do cristal ou substituir o silício por outro material semicondutor em suas simulações. Por outro lado, eles podem verificar as funcionalidades e diferentes propriedades dos cristais simulados. Por exemplo, os pesquisadores simularam um nanofio, onde o canal é envolto em um óxido e um contato metálico (portão). Os fônons emitidos pelos elétrons são efetivamente "capturados" no canal e só podem deixar a estrutura em alguns pontos - o início e o fim do nanofio. "Substituir a concha ao redor do fio por uma estrutura que se assemelha à letra ômega produz uma área maior para os fônons escaparem, "diz Luisier. Se a área também estiver em contato direto com um segmento de refrigeração, o transistor esquenta em menor grau. Os semicondutores também gerariam menos calor se fossem construídos com materiais como arseneto de índio e gálio ou germânio, porque esses materiais permitem que os elétrons se movam mais rapidamente. Contudo, eles são muito mais caros do que o silício.

Durante as simulações, os pesquisadores produzem as estruturas projetadas átomo por átomo. Como no método convencional denominado "ab initio", que é usado intensamente para analisar as propriedades dos materiais, a Equação de Schrödinger também é resolvida nas simulações realizadas pela equipe de Luisier. Isso permite que eles estudem como os elétrons e os fônons interagem.

Contudo, existem duas diferenças principais:enquanto o método ab initio resolve o movimento da onda dos elétrons em um sistema fechado ou periodicamente repetitivo, O grupo de Luisier complementa o método com condições de fronteira aberta, que permite que o transporte seja simulado. Os cientistas podem então observar os fluxos de elétrons e as correntes térmicas, e descrever a interconexão com os arredores, a interação do fluxo de elétrons com as correntes térmicas. Outra diferença é que os cálculos usando OMEN são atualmente realizados com base em modelos empíricos, pois ainda são muito complexos e mais intensivos em computador "ab initio".

Computação de alto desempenho

Contudo, novos algoritmos estão sendo desenvolvidos em um projeto PASC colaborativo com cientistas da Università della Svizzera italiana e EPF Lausanne para tornar os cálculos mais eficientes. “A médio prazo, queremos substituir todos os modelos empíricos por modelos ab initio para que possamos calcular estruturas feitas de diferentes materiais com mais facilidade e precisão, "diz Luisier." É por isso que precisamos de algoritmos e máquinas otimizadas como Piz Daint. "

Apesar disso, Luisier enfatiza que, com o melhor de seu conhecimento, A abordagem empírica de sua equipe está mais avançada do que nunca no desenvolvimento de nanocomponentes eletrônicos. Outro foco de pesquisa de seu grupo é a simulação de baterias de íon de lítio. "Se entendermos o desenvolvimento de calor em transistores ou baterias com mais precisão, seremos capazes de propor projetos melhores, "diz Luisier." OMEN é um simulador de componentes da nova geração, onde os engenheiros usam conceitos que nunca foram usados ​​antes na ciência dos materiais, química ou física. "