Pesquisadores do Institute for Basic Science (IBS) Center for Integrated Nanostructure Physics na Sungkyunkwan University (SKKU) na Coréia do Sul, dirigida pelo professor Young Hee Lee, criaram um transistor de alto desempenho utilizando fósforo preto (FP), o qual apresentou alguns resultados fascinantes.

Estrutura atômica de uma monocamada de fósforo preto.

Créditos: IBS

Transistores são fabricados a partir de materiais com propriedades semicondutoras, os quais se apresentam em duas variedades: tipo n (excesso de elétrons) e tipo p (excesso de buracos). Com o cristal de FP, os pesquisadores descobriram que eles podem alterar sua espessura e/ou o seu contato com metais e isto determina se o cristal será um material de alto desempenho do tipo n, tipo p ou ambipolar (funcionando tanto como tipo n ou p).


O que isso significa?

O silício tem que ser extrinsecamente dopado (inserindo um outro elemento dentro da estrutura do seu cristal) para se tornar do tipo n ou tipo p e, assim, ser trabalhado como um chip semicondutor. Os cristais de FP podem atuar tanto quanto tipo n ou tipo p ou algo entre estes dois tipos, mas não necessitam de dopagem extrínseca. Isto significa que ao invés de ter que se fabricar um cristal de silício-arsênio entre camadas de cristais de silício-boro, um transistor pode possuir um único e leve chip lógico de fósforo preto puro – sem necessidade de dopagem.

Adicionalmente, a alteração dos metais utilizados para conectar o chip ao circuito pode influenciar se o FP será um tipo n ou p. Ao invés da dopagem para construir um material do tipo n ou p, ambos FP n e p podem ser colocados juntamente em um único chip somente pela alteração da sua espessura e contato metálico utilizado.


Por que isso é importante?

Os fabricantes de alta tecnologia estão em uma grande disputa para fabricar dispositivos mais leves, menores e mais eficientes. Pelo uso do FP, que apresenta a espessura de apenas algumas camadas atômicas, podem ser fabricados transistores menores e com maior eficiência energética do que os existentes atualmente.

Chips de silício existem em todos os dispositivos eletrônicos modernos, e como os fabricantes buscam dispositivos menores e energeticamente mais eficientes, eles começaram a chegar próximo do limite do quão pequeno estes dispositivos podem ser. O FP pode fornecer uma alternativa mais fina e eficiente do que os chips de silício nos dispositivos eletrônicos.

Estrutura atômica do fósforo preto (FP) e as propriedades de transistor tipo n/p de um transistor com base em FP.

Créditos: IBS

Outros exemplos de aplicação são pequenos dispositivos autônomos de gravação e transmissão de dados que irão constituir a “Internet das Coisas” (IdC). O maior impedimento que inibe a IdC de deslanchar é a incapacidade de reduzir o tamanho dos componentes e a falta de soluções para fontes de energia de longa duração. Materiais em camadas bidimensionais (tal como o fósforo preto) são interessantes neste aspecto, uma vez que tanto as propriedades elétricas como mecânicas são melhores que seus análogos em macroescala (3D).


O FP é uma boa alternativa para os atuais materiais semicondutores?

O FP é um excelente material para transistores uma vez que ele possui uma alta mobilidade de carga (quão rápido um elétron pode se mover pelo material). Isto torna possível o FP operar em voltagens mais baixas além de aumentar seu desempenho, o que se traduz em uma redução considerável de consumo de energia.

Utilizando alumínio como contato elétrico, flocos mais grossos de FP (13 nanômetros) apresentaram propriedades ambipolares similares ao grafeno, enquanto flocos finos de 3 nm são unipolares do tipo n com taxas de comutação maiores do que 105. Quão mais fino for possível fabricar o material, melhor será sua propriedade de comutação. Perello explica: “a força motriz no fósforo preto é a sua mobilidade de carga. Tudo se baseia ao redor disso. O fato da energia do band gap mudar com a espessura do material permite a construção de circuitos flexíveis. Como pesquisador, isso me fornece uma grande quantidade de possibilidades de pesquisa”.


Está pronto para competir com o silício?

Ao contrário da indústria de materiais semicondutores tradicionais, não existe ainda um método apropriado para produzir FP puro em larga escala. Atualmente, camadas finas podem ser produzidas somente pela exfoliação de amostras cristalinas de FP, uma vez que não existe ainda outro método de produção. Porém já estão sendo estudas medidas para superar este desafio, por meio de pesquisas em todo o mundo usando a deposição química a vapor (CVD) e outras técnicas de crescimento de filmes finos. A falta de métodos de fabricação de monocamadas não é necessariamente um problema. O pesquisador da SKKU David Perello explica: “nós podemos, possivelmente, operar com 3, 5 ou 7 camadas e isto pode, de fato, ser melhor em termos de desempenho”.

Quando perguntado se o FP já está pronto para competir com o silício, Perello diz que “não acredita que seja capaz de competir com o silício neste momento, e este é o sonho de todos. O silício é barato, abundante e o melhor transistor de silício que podemos fabricar apresenta mobilidade semelhante com os dispositivos de FP que eu sou capaz de produzir”. Isto não significa que não valha a pena explorar mais o FP. De acordo com Perello, “o fato de ser tão simples fazer um excelente transistor sem ter acesso ao estado da arte do crescimento comercial, fabricação e litografia significa que podemos fabricá-los significativamente com melhor qualidade. Nós esperamos que o limite superior para mobilidade de carga no fósforo preto seja muito maior do que no silício”.

No presente momento, o FP não está pronto para aplicação comercial e seu potencial está sendo só agora reconhecido. Se ele continuar a se sair bem nos próximos testes, deverá ser um forte candidato para ser o material dos chips do futuro.

Institute for Basic Science (Tradução – MBS).


Nota do Scientific Editor - O trabalho que deu origem a esta notícia de título: "High-performance n-type black phosphorus transistors with type control via thickness and contact-metal engineering", de autoria David J. Perello, Sang Hoon Chae, Seunghyun Song and Young Hee Lee foi publicado, online, no periódico Nature Communication, 2015, DOI: 10.1038/ncomms8809.


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