À medida que os chips de computador baseados em silício se aproximam das suas limitações físicas na busca por designs mais rápidos e menores, a busca por materiais alternativos que permaneçam funcionais em escalas atômicas é um dos maiores desafios da ciência.



Em um desenvolvimento inovador, pesquisadores do Cluster de Excelência Würzburg-Dresden projetaram uma película protetora que protege as camadas de semicondutores quânticos com apenas um átomo de espessura das influências ambientais, sem comprometer suas propriedades quânticas revolucionárias. Isso coloca a aplicação dessas delicadas camadas atômicas em componentes eletrônicos ultrafinos ao alcance realista. As descobertas foram publicadas na Nature Communications .

Materiais quânticos 2D em vez de silício

A corrida para criar chips de computador cada vez mais rápidos e poderosos continua à medida que os transistores, seus componentes fundamentais, diminuem para tamanhos cada vez menores e mais compactos. Dentro de alguns anos, estes transístores medirão apenas alguns átomos de diâmetro – altura em que a miniaturização da tecnologia de silício actualmente utilizada terá atingido os seus limites físicos. Consequentemente, a busca por materiais alternativos com propriedades inteiramente novas é crucial para futuros avanços tecnológicos.

Em 2021, cientistas do Cluster de Excelência ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica das universidades JMU Würzburg e TU Dresden fizeram uma descoberta significativa:materiais quânticos topológicos, como o indeneno, que são uma grande promessa para a eletrônica ultrarrápida e com baixo consumo de energia. . Os semicondutores quânticos extremamente finos resultantes são compostos de uma única camada de átomos – no caso do indeneno, átomos de índio – e atuam como isolantes topológicos, conduzindo eletricidade praticamente sem resistência ao longo de suas bordas.

"A produção de uma camada atômica tão única requer equipamento de vácuo sofisticado e um material de substrato específico. Para utilizar esse material bidimensional em componentes eletrônicos, ele precisaria ser removido do ambiente de vácuo. No entanto, a exposição ao ar, mesmo que brevemente, leva a oxidação, destruindo suas propriedades revolucionárias e tornando-o inútil", explica o físico experimental Professor Ralph Claessen, porta-voz do ct.qmat em Würzburg.

Em busca de uma camada protetora

"Dedicamos dois anos para encontrar um método para proteger a camada sensível de indeneno dos elementos ambientais usando um revestimento protetor. O desafio era garantir que esse revestimento não interagisse com a camada de indeneno", explica Cedric Schmitt, um dos alunos de doutorado de Claessen envolvidos no o projeto.

Esta interação é problemática porque quando diferentes tipos de átomos – da camada protetora e do semicondutor, por exemplo – se encontram, eles reagem quimicamente no nível atômico, alterando o material. Isto não é um problema com os chips de silício convencionais, que compreendem múltiplas camadas atômicas, deixando camadas suficientes inalteradas e, portanto, ainda funcionais.

"Um material semicondutor que consiste em uma única camada atômica, como o indeneno, normalmente seria comprometido por uma película protetora. Isso representava um desafio aparentemente intransponível que despertou nossa curiosidade de pesquisa", diz Claessen. A busca por uma camada protetora viável levou-os a explorar os materiais de van der Waals, em homenagem ao físico holandês Johannes Diderik van der Waals (1837–1923).

Claessen explica:"Essas camadas atômicas bidimensionais de van der Waals são caracterizadas por fortes ligações internas entre seus átomos, embora se liguem apenas fracamente ao substrato. Este conceito é semelhante a como a grafite de um lápis é feita de grafite - uma forma de carbono com átomos dispostos em camadas de favo de mel – escreve no papel. As camadas de grafeno podem ser facilmente separadas. Nosso objetivo era replicar essa característica.

Usando sofisticado equipamento de ultra-alto vácuo, a equipe de Würzburg fez experiências com aquecimento de carboneto de silício (SiC) como substrato para o indeneno, explorando as condições necessárias para formar grafeno a partir dele. “O carboneto de silício consiste em átomos de silício e carbono. Aquecê-lo faz com que os átomos de carbono se separem da superfície e formem grafeno”, diz Schmitt. "Em seguida, depositamos átomos de índio por vapor, que estão imersos entre a camada protetora de grafeno e o substrato de carboneto de silício. Foi assim que a camada protetora para nosso material quântico bidimensional, o indeneno, foi formada."

Pela primeira vez globalmente, Claessen e sua equipe na filial da ct.qmat em Würzburg criaram com sucesso uma camada protetora funcional para um material semicondutor quântico bidimensional sem comprometer suas extraordinárias propriedades quânticas. Depois de analisar o processo de fabricação, testaram exaustivamente as capacidades de proteção da camada contra oxidação e corrosão. "Funciona! A amostra pode até ser exposta à água sem ser afetada de forma alguma", diz Claessen, satisfeito. "A camada de grafeno atua como um guarda-chuva para o nosso indeneno."

Rumo à eletrônica da camada atômica

Esta inovação abre caminho para aplicações que envolvem camadas atômicas semicondutoras altamente sensíveis. A fabricação de componentes eletrônicos ultrafinos exige que eles sejam processados ​​no ar ou em outros ambientes químicos. Isto foi possível graças à descoberta deste mecanismo de proteção.

A equipe em Würzburg está agora focada na identificação de mais materiais van der Waals que possam servir como camadas protetoras – e eles já têm algumas perspectivas em mente. O problema é que, apesar da proteção eficaz das monocamadas atômicas do grafeno contra fatores ambientais, sua condutividade elétrica representa um risco de curtos-circuitos. Os cientistas de Würzburg estão trabalhando para superar esses desafios e criar as condições para a eletrônica da camada atômica de amanhã.

Mais informações: Cedric Schmitt et al, Alcançando estabilidade ambiental em um isolador Hall de spin quântico atomicamente fino via intercalação de grafeno, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45816-9
Fornecido por Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat