Pesquisadores estão aproveitando o poder de pequenos defeitos em um material incrivelmente fino para um dia criar chips de computador mais rápidos e eficientes do que as plataformas tradicionais de semicondutores de silício.
“Todos os nossos dispositivos eletrônicos existentes usam chips feitos de silício, que é um material tridimensional”, disse Shoaib Khalidum físico do Laboratório de Pesquisa de Plasma de Princeton, em um declaração. “Agora, muitas empresas estão investindo muito em chips feitos de materiais bidimensionais.”
Esse tipo de material “bidimensional”, conhecido como dichalcogeneto de metal de transição (TMD), pode ter apenas alguns átomos de espessura. Chips de computador feitos desses semicondutores ultrafinos podem permitir o desenvolvimento de dispositivos menores e mais rápidos, ao acumular muito mais poder de processamento em uma área de superfície menor.
Em um estudo publicado em 24 de maio na revista Materiais 2DA equipe de Khalid investigou se o uso de TMDs em vez de silício pode ser uma solução para a noção de que a inovação com chips baseados em silício pode estar atingindo seu pico.
Os TMDs mais finos têm apenas três átomos de espessura e são dispostos como um sanduíche. O “pão” consiste em átomos de calcogênio — elementos do Grupo 16 na tabela periódica, como oxigênio ou enxofre. Átomos de metais de transição — nos Grupos 3-12 — compõem o “recheio”.
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Os cientistas investigaram se poderiam aproveitar pequenas imperfeições do tamanho de átomos, chamadas defeitos, em DTMs ligeiramente mais espessas.
Enquanto a maioria dos átomos no TMD são organizados em padrões ordenados e uniformes, ocasionalmente um átomo estará faltando ou enfiado em algum lugar que não pertence. Apesar do nome, defeitos não são necessariamente uma coisa ruim, disseram os cientistas no estudo. Por exemplo, alguns defeitos tornam os TMDs mais eletricamente condutivos.
Para aproveitar os efeitos positivos dos defeitos e reduzir quaisquer consequências negativas, os cientistas precisavam entender como os defeitos surgem e como eles afetam o desempenho do material. No estudo, a equipe de Khalid determinou quais tipos de defeitos se formam mais prontamente em TMDs — e investigou como esses defeitos moldam as propriedades do material.
Primeiro, a equipe examinou defeitos onde um dos átomos de calcogênio estava faltando. Um anterior estudar mostrou que um material TMD chamado dissulfeto de molibdênio emite inesperadamente luz infravermelha quando iluminado. A equipe de Khalid descobriu que a emissão de luz infravermelha foi desencadeada pelo movimento de elétrons relacionados ao espaço onde o calcogênio ausente deveria estar.
“Nosso trabalho fornece uma estratégia para investigar a presença dessas vacâncias nos TMDs em massa”, disse Khalid na declaração. “Explicamos resultados experimentais anteriores mostrados em dissulfeto de molibdênio e, então, previmos algo semelhante para outros TMDs.”
Em seguida, os pesquisadores estudaram um tipo de defeito em que um átomo de hidrogênio extra é espremido entre dois átomos de metais de transição vizinhos. O hidrogênio é uma impureza comum que surge nas DTMs enquanto elas estão sendo formadas. Os átomos extras de hidrogênio dão a vários — mas não a todos — os materiais TMD uma leve carga negativa, transformando-os em semicondutores “tipo n”.
Os chips de computador dependem de combinações de semicondutores do tipo n e semicondutores do tipo p com carga positiva. Embora os cientistas já soubessem que alguns materiais TMD podem atuar como semicondutores do tipo n, o novo estudo explica de onde vem a carga negativa extra.
Entender como esses defeitos afetam o desempenho do TMD pode ajudar os pesquisadores a criar chips de computador de próxima geração, disseram os cientistas no estudo. Embora os chips TMD ainda não estejam prontos para chegar às prateleiras, empresas estão explorando chips TMD ultrafinos para lidar com operações de IA que exigem uso intensivo de energia.
