Além do Silício: Como os materiais finos como átomos estão revolucionando os chips

Uma nova pesquisa aumenta nossa compreensão de um provável candidato para chips de computador de próxima geração.

Cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton estão avançando a tecnologia de semicondutores ao desenvolver materiais mais finos e eficientes chamados dichalcogenetos de metais de transição (TMDs). Esses materiais, com apenas alguns átomos de espessura, podem levar a chips de computador mais compactos e poderosos. A pesquisa também investiga o papel dos defeitos nesses materiais, que podem afetar suas propriedades elétricas e potencialmente aumentar sua funcionalidade.

A evolução dos chips de computador

Os chips de computador de silício nos serviram bem por mais de meio século. Os menores recursos em chips vendidos atualmente têm aproximadamente 3 nanômetros — um tamanho surpreendentemente pequeno, dado que um fio de cabelo humano tem aproximadamente 80.000 nanômetros de largura. Reduzir o tamanho dos recursos em chips nos ajudará a atender à nossa necessidade infinita de mais memória e poder de processamento na palma da nossa mão. Mas o limite do que pode ser alcançado com materiais e processos padrão está próximo.

Avanços em materiais de chips

Pesquisadores do Departamento de EnergiaLaboratório de Física de Plasma de Princeton (DOE) (PPPL) estão aplicando sua expertise em física, química e modelagem computacional para criar a próxima geração de chips de computador, visando processos e materiais que produzirão chips com recursos menores.

“Todos os nossos dispositivos eletrônicos existentes usam chips feitos de silício, que é um material tridimensional. Agora, muitas empresas estão investindo muito em chips feitos de materiais bidimensionais”, disse Shoaib Khalid, um físico pesquisador associado da PPPL. Os materiais realmente existem em três dimensões, mas são tão finos — geralmente compostos de apenas algumas camadas de átomos — que os cientistas passaram a chamá-los de 2D.

Dicalcogenetos de metais de transição: semicondutores de última geração

Khalid, juntamente com Bharat Medasani, da PPPL, e Anderson Janotti, da Universidade de Delaware, investigaram um possível substituto do silício: um material 2D conhecido como dicalcogeneto de metal de transição (TMD).

O novo deles papelpublicado na revista Materiais 2Ddetalha as variações que podem ocorrer na estrutura atômica dos TMDs, por que elas acontecem e como elas afetam o material. As informações sobre essas variações estabelecem a base para refinar os processos necessários para criar chips de computador de próxima geração.

Em última análise, o objetivo é projetar plasmasistemas de fabricação baseados em TMD que podem criar semicondutores feito de acordo com as especificações precisas exigidas para a aplicação.

TMD: Um pequeno sanduíche de metal

Um TMD pode ter a espessura de três átomos de altura. Pense nisso como um pequeno sanduíche de metal. O pão é feito de um elemento calcogênio: oxigênio, enxofre, selênio ou telúrio. O recheio é uma camada de metal de transição — qualquer metal dos grupos 3 a 12 na tabela periódica dos elementos. Um TMD em massa tem cinco ou mais camadas de átomos. Os átomos são organizados em uma estrutura cristalina ou rede. Idealmente, os átomos são organizados em um padrão preciso e consistente em toda a rede. Na realidade, pequenas alterações podem ser encontradas no padrão. Um ponto no padrão pode estar faltando um átomoou um átomo pode ser encontrado em um local estranho. Cientistas chamam essas alterações de defeitos, mas elas podem ter um impacto benéfico no material.

Alguns defeitos de TMD, por exemplo, podem tornar o semicondutor mais eletricamente condutivo. Bom ou ruim, é essencial que os cientistas entendam por que os defeitos acontecem e como eles afetarão o material para que possam incorporar ou eliminar esses defeitos conforme necessário. Entender defeitos comuns também permite que os pesquisadores expliquem os resultados de experimentos anteriores com TMDs.

“Quando TMDs em massa são feitos, eles têm elétrons em excesso”, disse Khalid, acrescentando que os pesquisadores não tinham certeza do porquê essas partículas carregadas negativamente em excesso estavam presentes. “Neste trabalho, explicamos que os elétrons em excesso podem ser causados ​​pelo hidrogênio.”

Os pesquisadores chegaram a essa conclusão após calcular a quantidade de energia que seria necessária para formar diferentes tipos de defeitos de TMD. Eles analisaram defeitos envolvendo vacâncias de calcogênio, que eram conhecidas anteriormente por estarem presentes em TMDs, e defeitos envolvendo hidrogênio porque esse elemento está frequentemente presente durante o processo de fabricação do chip. Os pesquisadores estão particularmente interessados ​​em descobrir quais defeitos requerem energia mínima de formação porque esses são os que provavelmente ocorrerão — não é preciso muita energia para que aconteçam!

A equipe então investigou o papel de cada um dos defeitos de baixa energia de formação. Especificamente, eles queriam saber como cada configuração de defeito poderia impactar a carga elétrica do material. Os pesquisadores descobriram que uma das configurações de defeito envolvendo hidrogênio fornece elétrons em excesso, o que cria um material semicondutor com carga negativa, conhecido como tipo n. Os chips de computador são feitos usando combinações de material semicondutor do tipo n e material com carga positiva, ou tipo p.

Este modelo mostra o ponto onde os átomos de calcogênio faltantes deveriam estar, conforme representado pelo círculo preto no centro de um padrão de átomos que de outra forma não seria perturbado. Esta vista olha para baixo na camada do meio do TMD. Crédito: Shoaib Khalid, Bharat Medasani e Anderson Janotti / PPPL e a Universidade de Delaware

Insights de pesquisa sobre vacâncias de calcogênio

O outro tipo de defeito explorado no artigo é conhecido como vacância de calcogênio: um átomo ausente de oxigênio, enxofre, selênio ou telúrio, dependendo do tipo de TMD. Os pesquisadores se concentraram em explicar os resultados de experimentos anteriores em flocos do material TMD a granel, dissulfeto de molibdênio. Os experimentos, que envolveram luz brilhante no TMD, mostraram frequências inesperadas de luz vindas do TMD. Essas frequências inesperadas, os pesquisadores descobriram, poderiam ser explicadas pelo movimento de elétrons relacionados à vacância de calcogênio.

“Este é um defeito comum. Eles podem frequentemente vê-lo nas imagens de microscópios de tunelamento de varredura quando eles cultivam o filme TMD”, disse Khalid. “Nosso trabalho fornece uma estratégia para investigar a presença dessas vacâncias nos TMDs em massa. Explicamos resultados experimentais anteriores mostrados em dissulfeto de molibdênio e, então, previmos algo semelhante para outros TMDs.”

O processo sugerido pelos pesquisadores envolve analisar o TMD para defeitos usando técnicas de medição chamadas fotoluminescência para ver quais frequências de luz são emitidas pelo material. A frequência de pico da luz pode ser usada para determinar as configurações eletrônicas dos átomos no TMD e a presença de defeitos de calcogênio. O artigo do periódico inclui informações sobre as frequências que seriam emitidas por cinco tipos de TMDs com vacâncias de calcogênio, incluindo dissulfeto de molibdênio. Os resultados, portanto, fornecem uma diretriz para investigar vacâncias de calcogênio em experimentos futuros.

Referência: “Papel das vacâncias de calcogênio e hidrogênio nas propriedades ópticas e elétricas de dicalcogenetos de metais de transição em massa” por Shoaib Khalid, Anderson Janotti e Bharat Medasani, 24 de maio de 2024, Materiais 2D.
DOI: 10.1088/2053-1583/ad4720

Este trabalho foi apoiado pelo DOE sob a concessão DE-AC02-09CH11466 e o ​​prêmio da National Science Foundation (NSF) #OIA-2217786. Os cálculos foram realizados no National Energy Research Scientific Computing Center (NESRC) sob o número do contrato DE-AC02-05CH11231 usando o prêmio NERSC BES-ERCAP27253, o aglomerado Stellar em Universidade de Princeton e o sistema de computação DARWIN na Universidade de Delaware, usando a bolsa NSF 1919839.