Com a crescente miniaturização de componentes eletrônicos, pesquisadores estão lutando com efeitos colaterais indesejáveis:no caso de transistores em escala nanométrica feitos de materiais convencionais, como silício, efeitos quânticos ocorrem que prejudicam sua funcionalidade. Um desses efeitos quânticos, por exemplo, são correntes de fuga adicionais, ou seja, correntes que fluem "extraviado" e não através do condutor fornecido entre os contatos da fonte e do dreno. Portanto, acredita-se que a lei de escala de Moore, que afirma que o número de circuitos integrados por unidade de área dobra a cada 12-18 meses, atingirá seus limites em um futuro próximo devido aos crescentes desafios associados à miniaturização de seus componentes ativos. Em última análise, isso significa que os transistores baseados em silício fabricados atualmente - chamados de FinFETs e equipando quase todos os supercomputadores - não podem mais ser arbitrariamente menores devido aos efeitos quânticos.

Faróis bidimensionais de esperança

Contudo, um novo estudo realizado por pesquisadores da ETH Zurich e EPF Lausanne mostra que esse problema poderia ser superado com novos materiais bidimensionais (2-D) - ou pelo menos é o que as simulações que eles realizaram no supercomputador "Piz Daint" sugerem .

O grupo de pesquisa, liderado por Mathieu Luisier do Instituto de Sistemas Integrados (IIS) da ETH Zurique e Nicola Marzari da EPF Lausanne, usaram os resultados da pesquisa que Marzari e sua equipe já haviam alcançado como base para suas novas simulações:Em 2018, 14 anos após a descoberta do grafeno, deixou claro que materiais bidimensionais poderiam ser produzidos, eles usaram simulações complexas em "Piz Daint" para vasculhar um pool de mais de 100, 000 materiais; eles extraíram 1, 825 componentes promissores a partir dos quais camadas 2-D de material poderiam ser obtidas.

Os pesquisadores selecionaram 100 candidatos entre os mais de 1, 800 materiais, cada um dos quais consiste em uma monocamada de átomos e pode ser adequado para a construção de transistores de efeito de campo (FETs) ultra-escalonados. Eles agora investigaram suas propriedades sob o microscópio "ab initio". Em outras palavras, eles usaram o supercomputador CSCS "Piz Daint" para primeiro determinar a estrutura atômica desses materiais usando a teoria do funcional da densidade (DFT). Em seguida, eles combinaram esses cálculos com um conhecido solucionador de transporte quântico para simular os fluxos de corrente de elétron e buraco através dos transistores gerados virtualmente. O Simulador de Transporte Quantum utilizado foi desenvolvido por Luisier em conjunto com outra equipe de pesquisa da ETH, e o método subjacente foi premiado com o Prêmio Gordon Bell em 2019.

Encontrando o candidato 2-D ideal

O fator decisivo para a viabilidade do transistor é se a corrente pode ser controlada de forma otimizada por um ou vários contatos de porta. Graças à natureza ultrafina dos materiais 2-D - geralmente mais finos do que um nanômetro - um único contato de porta pode modular o fluxo de elétrons e correntes de buraco, assim, ligando e desligando completamente um transistor.

Estrutura de um FET de porta única com um canal feito de um material 2-D. Dispostos ao seu redor estão uma seleção de materiais 2-D que foram investigados. (Mathieu Luisier / ETH Zürich)

"Embora todos os materiais 2-D tenham essa propriedade, nem todos eles se prestam a aplicativos lógicos, "Luisier enfatiza, "apenas aqueles que têm uma lacuna de banda grande o suficiente entre a banda de valência e a banda de condução." Materiais com um gap adequado evitam os chamados efeitos de túnel dos elétrons e, portanto, as correntes de fuga causadas por eles. São exatamente esses materiais que os pesquisadores buscam em suas simulações.

Seu objetivo era encontrar materiais 2-D que podem fornecer uma corrente superior a 3 miliamperes por micrômetro, tanto como transistores do tipo n (transporte de elétrons) e como transistores do tipo p (transporte do buraco), e cujo comprimento de canal pode ser tão pequeno quanto 5 nanômetros sem prejudicar o comportamento de comutação. "Somente quando essas condições são atendidas, os transistores baseados em materiais bidimensionais podem superar os Si FinFETs convencionais, "diz Luisier.

A bola agora está na quadra dos pesquisadores experimentais

Levando esses aspectos em consideração, os pesquisadores identificaram 13 possíveis materiais 2-D com os quais futuros transistores poderiam ser construídos e que também poderiam permitir a continuação da lei de escala de Moore. Alguns desses materiais já são conhecidos, por exemplo, fósforo preto ou HfS2, mas Luisier enfatiza que outros são completamente novos - compostos como Ag2N6 ou O6Sb4.

“Criamos um dos maiores bancos de dados de materiais de transistores graças às nossas simulações. Com esses resultados, esperamos motivar experimentalistas que trabalham com materiais 2-D para esfoliar novos cristais e criar interruptores lógicos de próxima geração, "diz o professor da ETH. Os grupos de pesquisa liderados por Luisier e Marzari trabalham juntos no Centro Nacional de Competência em Pesquisa (NCCR) MARVEL e já publicaram seus últimos resultados conjuntos na revista ACS Nano . Eles estão confiantes de que os transistores baseados nesses novos materiais podem substituir aqueles feitos de silício ou dos dichalcogenetos de metais de transição atualmente populares.