Salto quântico em eletrônica ultrarrápida garantido pela armadura atômica do grafeno

Os pesquisadores desenvolveram um revestimento protetor inovador para o indeneno, um material quântico promissor para a eletrônica ultrarrápida, permitindo seu uso no ar sem oxidação. Esta inovação poderia revolucionar o futuro da eletrônica da camada atômica.

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 of Excellence ct.qmat – Complexity and Topology in Quantum Matter das universidades JMU Würzburg e TU Dresden fizeram uma descoberta significativa: materiais quânticos topológicos como o indeneno, que são uma grande promessa para soluções ultra-rápidas e energeticamente eficientes. eletrônicos. O quantum extremamente fino resultante semicondutores são compostos por um único átomo camada – 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 equipamentos de vácuo sofisticados e um material de substrato específico. Para utilizar este material bidimensional em componentes eletrônicos, ele precisaria ser removido do ambiente de vácuo. No entanto, a exposição ao ar, mesmo que brevemente, leva à oxidação, destruindo as suas propriedades revolucionárias e tornando-o inútil”, explica o físico experimental Professor Ralph Claessen, porta-voz do ct.qmat em Würzburg.

A equipe ct.qmat Würzburg conseguiu resolver este problema. Seus resultados foram publicados na revista Comunicações da Natureza.

Amálgama de imagens experimentais. Na parte superior, uma imagem de microscopia de varredura por tunelamento exibe a estrutura em favo de mel do grafeno (a camada protetora). No centro, a microscopia eletrônica mostra uma vista superior do material indeneno como uma rede triangular. Abaixo está uma vista lateral do substrato de carboneto de silício. Pode-se observar que tanto o indeneno quanto o grafeno consistem em uma única camada atômica. Crédito: Jonas Erhardt/Christoph Mäder)

Em busca de um revestimento protetor

“Dedicamos dois anos para encontrar um método para proteger a sensível camada 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 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. Isto representou um desafio aparentemente intransponível que despertou a nossa curiosidade de investigação”, 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 à forma como a grafite de um lápis 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 separados. Nosso objetivo era replicar essa característica.”

Sucesso!

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 desprendam da superfície e formem grafeno”, diz Schmitt, elucidando o processo de laboratório. “Depositamos então átomos de índio por vapor, que ficam imersos entre a camada protetora de grafeno e o substrato de carboneto de silício. Foi assim que a camada protetora do nosso material quântico bidimensional, o indeneno, foi formada.”

Guarda-chuva desenrolado

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 em identificar 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.

Cluster de Excelência ct.qmat

O Cluster de Excelência ct.qmat – Complexidade e Topologia em Matéria Quântica é administrado conjuntamente pela Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg e pela Technische Universität (TU) Dresden desde 2019. Mais de 300 cientistas de mais de trinta países e quatro continentes estudam materiais quânticos topológicos que revelam fenômenos surpreendentes sob condições extremas, como temperaturas ultrabaixas, alta pressão ou campos magnéticos fortes. ct.qmat é financiado pela Estratégia de Excelência Alemã dos Governos Federal e Estadual e é o único Cluster de Excelência na Alemanha baseado em dois estados federais diferentes.

Referência: “Alcançando estabilidade ambiental em um isolador Hall de spin quântico atomicamente fino via intercalação de grafeno” por Cedric Schmitt, Jonas Erhardt, Philipp Eck, Matthias Schmitt, Kyungchan Lee, Philipp Keßler, Tim Wagner, Merit Spring, Bing Liu, Stefan Enzner, Martin Kamp, Vedran Jovic, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, Eli Rotenberg, Timur Kim, Cephise Cacho, Tien-Lin Lee, Giorgio Sangiovanni, Simon Moser e Ralph Claessen, 19 de fevereiro de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-45816-9