p Em 2016, as vendas globais anuais de semicondutores atingiram seu ponto mais alto, em US $ 339 bilhões em todo o mundo. Nesse mesmo ano, a indústria de semicondutores gastou cerca de US $ 7,2 bilhões em todo o mundo em wafers que servem como substratos para componentes microeletrônicos, que podem ser transformados em transistores, diodos emissores de luz, e outros dispositivos eletrônicos e fotônicos. p Uma nova técnica desenvolvida por engenheiros do MIT pode reduzir enormemente o custo geral da tecnologia de wafer e permitir dispositivos feitos de mais exóticos, materiais semicondutores de alto desempenho do que o silício convencional.

p O novo método, relatado hoje em Natureza , usa o grafeno - folhas de grafite com um átomo único - como uma espécie de "copiadora" para transferir padrões cristalinos intrincados de uma pastilha semicondutora subjacente para uma camada superior de material idêntico.

p Os engenheiros trabalharam em procedimentos cuidadosamente controlados para colocar folhas individuais de grafeno em um wafer caro. Eles então cultivaram material semicondutor sobre a camada de grafeno. Eles descobriram que o grafeno é fino o suficiente para parecer eletricamente invisível, permitindo que a camada superior veja através do grafeno para a bolacha cristalina subjacente, imprimindo seus padrões sem ser influenciado pelo grafeno.

p O grafeno também é bastante "escorregadio" e não tende a aderir a outros materiais facilmente, permitindo aos engenheiros simplesmente descascar a camada semicondutora superior do wafer depois que suas estruturas foram impressas.

p Jeehwan Kim, a Classe de 1947 Professor Assistente de Desenvolvimento de Carreira nos departamentos de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais, diz que na fabricação convencional de semicondutores, a bolacha, uma vez que seu padrão cristalino é transferido, está tão fortemente ligado ao semicondutor que é quase impossível separar sem danificar as duas camadas.

p "Você acaba tendo que sacrificar o wafer - ele se torna parte do dispositivo, "Kim diz.

p Com a nova técnica do grupo, Kim diz que os fabricantes agora podem usar o grafeno como uma camada intermediária, permitindo que eles copiem e colem o wafer, separar um filme copiado do wafer, e reutilize o wafer várias vezes. Além de economizar no custo das bolachas, Kim diz que isso abre oportunidades para explorar materiais semicondutores mais exóticos.

p "A indústria está presa ao silício, e embora saibamos sobre semicondutores de melhor desempenho, não fomos capazes de usá-los, por causa de seu custo, "Kim diz." Isso dá liberdade à indústria na escolha de materiais semicondutores por desempenho e não custo. "

p A equipe de pesquisa de Kim descobriu esta nova técnica no Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT. Os co-autores do MIT de Kim são o primeiro autor e estudante de pós-graduação Yunjo Kim; alunos de graduação Samuel Cruz, Babatunde Alawonde, Chris Heidelberger, Yi Song, e Kuan Qiao; pós-doutorado Kyusang Lee, Shinhyun Choi, e Wei Kong; o pesquisador visitante Chanyeol Choi; Merton C. Flemings-SMA Professor de Ciência e Engenharia de Materiais Eugene Fitzgerald; professor de engenharia elétrica e ciência da computação Jing Kong; e professor assistente de engenharia mecânica Alexie Kolpak; junto com Jared Johnson e Jinwoo Hwang da Ohio State University, e Ibraheem Almansouri, do Instituto Masdar de Ciência e Tecnologia.

p Mudança de grafeno

p Desde a descoberta do grafeno em 2004, pesquisadores têm investigado suas propriedades elétricas excepcionais na esperança de melhorar o desempenho e o custo dos dispositivos eletrônicos. O grafeno é um excelente condutor de eletricidade, já que os elétrons fluem através do grafeno virtualmente sem atrito. Pesquisadores, Portanto, têm a intenção de encontrar maneiras de adaptar o grafeno como um barato, material semicondutor de alto desempenho.

p "As pessoas estavam tão esperançosas de que pudéssemos fazer dispositivos eletrônicos realmente rápidos de grafeno, "Kim diz." Mas parece que é realmente difícil fazer um bom transistor de grafeno. "

p Para que um transistor funcione, deve ser capaz de ligar e desligar um fluxo de elétrons, para gerar um padrão de uns e zeros, instruir um dispositivo sobre como realizar um conjunto de cálculos. Como acontece, é muito difícil parar o fluxo de elétrons através do grafeno, tornando-o um excelente condutor, mas um semicondutor pobre.

p O grupo de Kim adotou uma abordagem totalmente nova para o uso de grafeno em semicondutores. Em vez de se concentrar nas propriedades elétricas do grafeno, os pesquisadores analisaram as características mecânicas do material.

p "Temos uma forte crença no grafeno, porque é muito robusto, ultra fino, material e forma uma ligação covalente muito forte entre seus átomos na direção horizontal, "Kim diz." Curiosamente, tem forças de Van der Waals muito fracas, o que significa que não reage com nada verticalmente, o que torna a superfície do grafeno muito escorregadia. "

p Copie e descasque

p A equipe agora relata que o grafeno, com seu ultrafino, Propriedades semelhantes ao Teflon, pode ser imprensado entre um wafer e sua camada semicondutora, fornecendo um quase imperceptível, superfície antiaderente através da qual os átomos do material semicondutor ainda podem se reorganizar no padrão dos cristais do wafer. O material, uma vez impresso, pode simplesmente ser retirado da superfície de grafeno, permitindo que os fabricantes reutilizem o wafer original.

p A equipe descobriu que sua técnica, que eles chamam de "epitaxia remota, "teve sucesso em copiar e descascar camadas de semicondutores dos mesmos wafers semicondutores. Os pesquisadores tiveram sucesso ao aplicar sua técnica a wafers exóticos e materiais semicondutores, incluindo fosforeto de índio, arseneneto de gálio, e fosfeto de gálio - materiais 50 a 100 vezes mais caros que o silício.

p Kim diz que esta nova técnica possibilita aos fabricantes reutilizar wafers - de silício e materiais de alto desempenho - "conceitualmente, ao infinito."

p Um futuro exótico

p A técnica de peel-off baseada em grafeno do grupo também pode avançar no campo da eletrônica flexível. Em geral, wafers são muito rígidos, tornando os dispositivos aos quais eles são fundidos igualmente inflexíveis. Kim diz agora, dispositivos semicondutores, como LEDs e células solares, podem ser dobrados e torcidos. Na verdade, o grupo demonstrou essa possibilidade fabricando um display LED flexível, padronizado com o logotipo do MIT, usando sua técnica.

p "Digamos que você queira instalar células solares em seu carro, que não é completamente plano - o corpo tem curvas, "Kim diz." Você pode revestir seu semicondutor em cima disso? E impossivel agora, porque gruda no wafer grosso. Agora, podemos descascar, dobrar, e você pode fazer revestimento isolante em carros, e até roupas. "

p Daqui para frente, os pesquisadores planejam projetar uma "pastilha mãe" reutilizável com regiões feitas de diferentes materiais exóticos. Usando o grafeno como intermediário, eles esperam criar multifuncionais, dispositivos de alto desempenho. Eles também estão investigando a mistura e combinação de vários semicondutores e empilhá-los como uma estrutura multimaterial.

p "Agora, materiais exóticos podem ser usados, "Kim diz." Você não precisa se preocupar com o custo do wafer. Deixe-nos dar a você a copiadora. Você pode aumentar seu dispositivo semicondutor, retire-o, e reutilize o wafer. "