Semicondutores de Grafeno – Eles Finalmente Chegaram?

Hoje, os semicondutores alimentam o mundo moderno. Eles são a espinha dorsal dos dispositivos eletrônicos, e uma descoberta pretende transformar a indústria eletrônica de forma substancial. 

Também chamados de microchips ou circuitos integrados (CIs), semicondutores são materiais que possuem uma condutividade elétrica que fica entre a dos condutores como alumínio e cobre e a dos isolantes como cerâmica e vidro.

Os semicondutores são sensíveis à luz e ao calor, e sua resistência varia. A resistividade de um semicondutor diminui à medida que sua temperatura aumenta, ao contrário do comportamento dos metais.

Alguns exemplos de semicondutores incluem silício e germânio, que são elementos puros e podem ser encontrados facilmente na natureza. Existem também compostos como selênio de cádmio e arseneto de gálio. Além disso, para alterar a condutividade ou as propriedades dos materiais, pequenas quantidades de impurezas são adicionadas aos semicondutores puros por meio de um processo chamado dopagem.

Assim, dependendo de sua pureza, os semicondutores são classificados em — semicondutores intrínsecos, que são materiais naturais feitos de um único tipo de átomo e podem ser usados diretamente em dispositivos, e semicondutores extrínsecos, que precisam ser dopados primeiro para serem utilizados em dispositivos. Transformar semicondutores intrínsecos gera dois tipos de semicondutores extrínsecos: tipo N ou doadores e tipo P ou aceitadores.

Os semicondutores são usados em diodos, que convertem corrente alternada em corrente contínua, transistores ou amplificadores de corrente, e em circuitos eletrônicos, que são essenciais na fabricação de diferentes tipos de dispositivos eletrônicos.

Com os semicondutores, temos a vantagem de não possuir filamentos. Dessa forma, eles não precisam ser aquecidos para emitir elétrons. Isso também significa que os semicondutores podem ser operados imediatamente. Além disso, são pequenos; portanto, são compactos, portáteis e consomem menos energia. Também, os semicondutores não são muito caros.

Os semicondutores são parte integrante de nossas vidas, pois sem eles não haveria TV, rádio, computadores, smartphones, automóveis, geladeiras e videogames. Os semicondutores basicamente permitem a criação de pequenos interruptores que podem ser ligados e desligados para controlar o fluxo de eletricidade, já que essa eletricidade que flui pelos circuitos elétricos permite o funcionamento dos dispositivos eletrônicos.

Isso torna os semicondutores um componente essencial dos dispositivos eletrônicos para possibilitar avanços em computação, comunicações, saúde, transporte, energia limpa, defesa, eletrodomésticos, hardware de jogos e muitas outras aplicações.

Nas últimas décadas, os desenvolvimentos na tecnologia de semicondutores tornaram esses dispositivos eletrônicos não apenas menores, mas também mais rápidos, sofisticados, compatíveis e confiáveis.

As empresas que trabalham com semicondutores geralmente organizam suas atividades em torno do design ou da fabricação. As que se concentram no design são chamadas de empresas “fabless”, enquanto as que se focam apenas na fabricação são chamadas de “foundries”, e as que fazem ambos são chamadas de Fabricantes de Dispositivos Integrados, ou IDMs.

Nos últimos anos, houve uma crise de semicondutores. Desde o final de 2020, após a pandemia e os lockdowns, com o aumento da demanda por dispositivos eletrônicos, houve uma escassez global de microchips e circuitos eletrônicos.

Enquanto as aulas online, o trabalho remoto e a crescente digitalização provocaram um enorme crescimento na demanda por dispositivos eletrônicos, novos avanços tecnológicos levaram a tecnologias disruptivas como IA, RV, 5G, big data e serviços em nuvem, que agravaram ainda mais a situação.

Em resposta a isso, empresas ao redor do mundo estão investindo enormes recursos para encontrar uma solução para o problema.

Uma Grande Descoberta: O Primeiro Semicondutor de Grafeno Funcional 

O arseneto de gálio é um semicondutor popular usado em células solares, diodos laser e circuitos integrados de frequência de micro-ondas. O semicondutor mais comum em uso hoje, porém, é o Silício, que desempenha um papel crítico na fabricação da maioria dos circuitos eletrônicos. Mas o material está chegando ao seu limite — requer uma grande quantidade de energia, o que tem levado os cientistas a buscar uma alternativa.

E há outro elemento, o grafeno, que não é considerado um semicondutor, mas pode ser usado para fabricar chips e circuitos. É um material altamente condutor que dissipa calor de forma muito eficaz, melhorando o desempenho dos componentes eletrônicos. Também possui velocidade e eficiência energética superiores ao silício, sem precisar de grandes quantidades de energia, tornando-o extremamente benéfico para a criação de eletrônicos.

O grafeno é um material extremamente fino, apenas uma camada de átomos de carbono dispostos em hexágonos, e é a base do grafite. Apesar de ser o material mais fino conhecido pelo homem, ele é muito resistente (cerca de 200 vezes mais forte que o aço) e flexível. 

Além disso, essa única camada de átomos de carbono é um excelente condutor de calor e eletricidade e possui interessantes capacidades de absorção de luz. Portanto, esse material tem o potencial de revolucionar muitas aplicações, incluindo sensores, células solares, baterias e muito mais.

No entanto, o material não está isento de problemas, que incluem a excepcional condutividade elétrica do grafeno, que dificulta seu uso como semicondutor. Portanto, ele precisa de uma banda proibida (bandgap), que permite que os semicondutores liguem e desliguem, algo que normalmente não possui. Para introduzir um bandgap no grafeno, os cientistas fabricaram grafeno em formas específicas ou usaram outros materiais 2D que possuem um bandgap inerente, mas não conseguiram produzir grafeno semicondutor viável.

À medida que os cientistas trabalham com grafeno, um avanço foi feito recentemente, onde pesquisadores demonstraram o primeiro semicondutor de grafeno funcional, o que significa mudar o mundo da computação e da eletrônica para sempre. Isso foi alcançado ao superar o obstáculo que afetava a pesquisa de grafeno há muitos anos, obtendo o bandgap correto que poderia ligar e desligar na proporção adequada — apresentando uma etapa crucial para tornar a eletrônica baseada em chips de grafeno uma realidade.

O semicondutor de grafeno com bandgap não é apenas funcional, mas também pode ser integrado aos processos de fabricação existentes. Publicado na Nature na primeira semana de 2024, o estudo mostrou um semicondutor de grafeno funcional que pode ser usado em nanoeletrônica.

Para isso, Walter de Heer, professor de física no Georgia Institute of Technology, liderou um grupo de pesquisa e colaborou com a Universidade de Tianjin, na China. E ele disse:

“Agora temos um semicondutor de grafeno extremamente robusto com dez vezes a mobilidade do silício, e que também possui propriedades únicas não disponíveis no silício. Mas a história do nosso trabalho nos últimos dez anos tem sido, ‘Conseguiremos tornar este material suficientemente bom para funcionar?'”

No início de sua carreira, De Heer começou explorando materiais à base de carbono como potenciais semicondutores, e depois mudou para o grafeno 2D há mais de vinte anos. A equipe foi “motivada pela esperança de introduzir três propriedades especiais do grafeno na eletrônica” — um material extremamente robusto, sua capacidade de lidar com correntes muito altas e fazer isso sem aquecer e se deteriorar.

O avanço foi alcançado quando a equipe descobriu como cultivar grafeno em wafers de carbeto de silício — que são utilizados em dispositivos eletrônicos e permitem conversão eficiente de energia — usando fornos especializados, bem como um processo especial de aquecimento e resfriamento.

Isso levou ao grafeno epitaxial, que é uma camada que cresce na face cristalina do carbeto de silício (um composto cristalino duro que contém silício e carbono), que, quando feita corretamente, se liga quimicamente ao carbeto de silício e apresenta propriedades semicondutoras.

Para fabricar um transistor funcional, a equipe precisa garantir que suas propriedades não sejam danificadas quando o material semicondutor for manipulado para funcionar como um transistor funcional. Para isso, a equipe primeiro verificou se o material era um bom condutor e utilizou a técnica de dopagem, e isso funcionou sem danificar o material ou suas propriedades.

A transição para os wafers de carbeto de silício, segundo de Heer, é “bastante viável”. O estudo constatou que o semicondutor de grafeno deles tem mobilidade muito maior que o silício, o que significa que os elétrons se movem com muito baixa resistência. Na eletrônica, isso se traduz em computação mais rápida.

“É como dirigir em uma estrada de cascalho versus dirigir em uma rodovia,” de Heer disse. “É mais eficiente, não esquenta tanto e permite velocidades mais altas para que os elétrons possam se mover mais rápido.”

Avanço Revolucionário para Impulsionar a Eletrônica do Futuro

Foi após dez anos de pesquisa que o estudo mais recente descobriu como cultivar grafeno em chips especiais de carbeto de silício. A equipe alterou as propriedades químicas do grafeno para alcançar a estrutura desejável, de modo que o grafeno possa agir como um semicondutor de alta qualidade.

Falando sobre tornar a eletrônica de grafeno realidade, de Heer observou:

“Precisamos aprender a tratar o material, como aprimorá-lo cada vez mais e, finalmente, como medir as propriedades. Isso levou um tempo muito, muito longo.”

O semicondutor é atualmente apenas bidimensional (2D) com todas as propriedades necessárias para ser usado em nanoeletrônica. Suas propriedades elétricas também são muito superiores às de outros semicondutores bidimensionais que estão em desenvolvimento. Especialistas acreditam que a descoberta pode mudar completamente o cenário da indústria eletrônica, permitindo criar novos semicondutores de grafeno poderosos que consomem menos energia que o silício.

“Esta pesquisa não apenas manteve a notável estabilidade do grafeno, mas também introduziu novas características eletrônicas, abrindo caminho para chips baseados em grafeno,” afirmou o Science and Technology Daily, de Pequim.

A eletrônica baseada em grafeno é simplesmente mais eficiente, pois necessita de menos energia para ligar e desligar, e, além disso, os elétrons podem fluir sem gerar calor que precisaria ser resfriado com ainda mais energia. Isso significa que “os telefones poderiam durar semanas sem acabar a bateria, reduzindo o consumo de energia em todas as áreas de nossas vidas, diminuindo custos e a poluição dos combustíveis fósseis,” disse Sarah Haigh, professora de materiais do National Graphene Institute, da Universidade de Manchester, no Reino Unido, em entrevista.

Isso pode abrir caminho para chips que alimentem computadores pessoais mais avançados e computadores quânticos no futuro.

Os pesquisadores observaram no estudo que os elétrons nesta alternativa ao silicone, assim como a luz, apresentam propriedades semelhantes a ondas mecânicas quânticas. Essas propriedades podem ser bem aproveitadas em temperaturas muito baixas. Os pesquisadores agora pretendem explorar isso em pesquisas subsequentes.

O grafeno epitaxial permite que os elétrons se movam com menos resistência, o que significa que transistores fabricados dessa forma podem operar em frequências de terahertz. Isso ajuda a superar os limites do silício, que incluem a velocidade com que os transistores podem ligar e desligar, o tamanho mínimo que podem ter e o calor gerado.

Dessa forma, o novo material pode provocar uma mudança de paradigma no campo da eletrônica, permitindo a utilização das propriedades de onda mecânica quântica dos elétrons, um requisito para a computação quântica. Um grande passo rumo à próxima geração de computação, isso pode abrir portas para uma nova forma de construir eletrônicos que sejam menores e mais rápidos.

Como de Heer destacou, não se trata apenas da capacidade do grafeno de “tornar as coisas menores e mais rápidas e com menos dissipação de calor”, mas de utilizar as “propriedades dos elétrons que não são acessíveis no silício”, apresentando “uma mudança de paradigma — é uma forma diferente de fazer eletrônica.”

Isso significa que outra geração de eletrônicos está agora iminente. Por muito tempo, o silício liderou a eletrônica, sendo um passo acima dos tubos de vácuo, que surgiram após fios e telégrafos, e agora o grafeno será o próximo a liderar.

“Para mim, isso é como o momento dos irmãos Wright,” disse de Heer. “Eles construíram um avião que podia voar 300 pés no ar. Mas os céticos perguntaram por que o mundo precisaria de voo quando já tinha trens e barcos rápidos. Mas eles persistiram, e foi o início de uma tecnologia que pode levar pessoas através dos oceanos.”

Além disso, pode ser escalado. Anteriormente, o grafeno mostrava potencial como semicondutor, mas apenas em pequena escala. Ampliar os semicondutores de grafeno para tamanhos práticos de chips de computador tem sido desafiador. No entanto, o último avanço utilizou um processo semelhante às técnicas usadas na criação de chips de silício e é compatível com os métodos convencionais de processamento de microeletrônica, tornando mais viável a escalabilidade.

A pesquisa utilizou wafers, que, segundo David Carey, da Universidade de Surrey, no Reino Unido, são “realmente, verdadeiramente escaláveis”, e a tecnologia atualmente usada pela indústria de semicondutores pode ser usada para “escalar esse processo.”

Dito isso, ainda resta saber se os mais recentes semicondutores de grafeno podem realmente superar a tecnologia supercondutora atual. Além disso, para que o mundo migre para chips de grafeno, novas pesquisas precisarão ser refinadas em termos de qualidade, tamanho e técnicas de fabricação. Isso significa que será uma longa jornada, e pode levar mais de uma década para concretizar plenamente a implementação industrial dos semicondutores de grafeno.

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