p Cientistas e engenheiros da UCLA desenvolveram um novo processo para montagem de dispositivos semicondutores. O avanço pode levar a transistores muito mais eficientes em termos de energia para eletrônicos e chips de computador, diodos para células solares e diodos emissores de luz, e outros dispositivos baseados em semicondutores. p Um artigo sobre a pesquisa foi publicado em Natureza . O estudo foi liderado por Xiangfeng Duan, professor de química e bioquímica no UCLA College, e Yu Huang, professor de ciência de materiais e engenharia na UCLA Samueli School of Engineering. O autor principal é Yuan Liu, um pós-doutorado da UCLA.

p Seu método une uma camada semicondutora e uma camada de eletrodo de metal sem os defeitos de nível atômico que normalmente ocorrem quando outros processos são usados ​​para construir dispositivos baseados em semicondutores. Mesmo que esses defeitos sejam minúsculos, eles podem prender os elétrons que viajam entre o semicondutor e os eletrodos de metal adjacentes, o que torna os dispositivos menos eficientes do que poderiam ser. Os eletrodos em dispositivos baseados em semicondutores são o que permitem que os elétrons viajem de e para o semicondutor; os elétrons podem transportar informações de computação ou energia para alimentar um dispositivo.

p Geralmente, eletrodos de metal em dispositivos semicondutores são construídos usando um processo chamado deposição física de vapor. Nesse processo, materiais metálicos são vaporizados em átomos ou aglomerados atômicos que então se condensam no semicondutor, que pode ser silício ou outro material semelhante. Os átomos de metal aderem ao semicondutor por meio de fortes ligações químicas, eventualmente formando uma fina película de eletrodos sobre o semicondutor.

p Um problema com esse processo é que os átomos de metal geralmente têm tamanhos ou formas diferentes dos átomos nos materiais semicondutores aos quais estão se ligando. Como resultado, as camadas não podem formar conexões atômicas um-para-um perfeitas, é por isso que ocorrem pequenas lacunas ou defeitos.

p "É como tentar encaixar uma camada de blocos da marca Lego nos de uma marca concorrente, "Huang disse." Você pode forçar os dois blocos diferentes juntos, mas o ajuste não será perfeito. Com semicondutores, essas ligações químicas imperfeitas levam a lacunas onde as duas camadas se unem, e essas lacunas podem se estender como defeitos além da interface e nos materiais. "

p Esses defeitos prendem os elétrons que viajam através deles, e os elétrons precisam de energia extra para passar por esses pontos.

p O método UCLA impede a formação de defeitos, juntando uma fina folha de metal no topo da camada semicondutora por meio de um processo de laminação simples. E em vez de usar ligações químicas para manter os dois componentes juntos, o novo procedimento usa forças de van der Waals - conexões eletrostáticas fracas que são ativadas quando os átomos estão muito próximos uns dos outros - para manter as moléculas "ligadas" umas às outras. As forças de Van der Waals são mais fracas do que as ligações químicas, mas eles são fortes o suficiente para manter os materiais juntos devido à sua espessura - cada camada tem cerca de 10 nanômetros de espessura ou menos.

p "Mesmo que sejam diferentes em sua geometria, as duas camadas se unem sem defeitos e permanecem no lugar devido às forças de van der Waals, "Huang disse.

p A pesquisa também é o primeiro trabalho a validar uma teoria científica originada na década de 1930. A regra de Schottky-Mott propôs a quantidade mínima de energia que os elétrons precisam para viajar entre o metal e um semicondutor em condições ideais.

p Usando a teoria, os engenheiros devem ser capazes de selecionar o metal que permite que os elétrons se movam através da junção entre o metal e o semicondutor com a menor quantidade de energia. Mas, por causa desses pequenos defeitos que sempre ocorreram durante a fabricação, dispositivos semicondutores sempre precisaram de elétrons com mais energia do que o mínimo teórico.

p A equipe da UCLA é a primeira a verificar a teoria em experimentos com diferentes combinações de metais e semicondutores. Como os elétrons não tiveram que superar os defeitos usuais, eles foram capazes de viajar com a quantidade mínima de energia prevista pela regra de Schottky-Mott.

p "Nosso estudo pela primeira vez valida esses limites fundamentais das interfaces metal-semicondutor, "Duan disse." Isso mostra uma nova maneira de integrar metais em outras superfícies sem introduzir defeitos. Em termos gerais, isso pode ser aplicado à fabricação de qualquer material delicado com interfaces que antes eram afetadas por defeitos. "

p Por exemplo, além de contatos de eletrodo em semicondutores, ele poderia ser usado para montar componentes eletrônicos em nanoescala de alta eficiência energética, ou dispositivos optoeletrônicos, como células solares.

p Os outros autores da UCLA do artigo são os alunos de pós-graduação Jian Guo, Enbo Zhu e Sung-Joon Lee, e o pós-doutorado Mengning Ding. Pesquisadores da Hunan University, China; Universidade King Saud, Arábia Saudita; e Northrop Grumman Corporation também contribuíram para o estudo.

p O estudo se baseia em quase uma década de trabalho de Duan e Huang no uso de forças de van der Waals para integrar materiais. Um estudo que eles conduziram, publicado em Natureza em março de 2018, descreveram o uso das forças de van der Waals para criar uma nova classe de materiais 2-D chamada superredes moleculares de cristal atômico de monocamada. Em um estudo anterior, que foi publicado em Natureza em 2010, eles descreveram o uso de forças de van der Waals para construir transistores de alta velocidade usando grafeno.