apesar das propriedades surpreendentes do grafeno e de toda a engenharia que foi lançada no material de maravilhas, uma lacuna de banda, suas perspectivas de lógica digital permanecem tão duvidas quanto já foram.

foto: jose-luis olivares / mit

mas a lista de usos para o grafeno na eletrônica fora da lógica digital continua a crescer. o mais recente vem da pesquisa fora da mit em que o grafeno poderia tornar o uso de semicondutores exóticos mais acessíveis para as indústrias, preparando filmes finos semicondutores sem o alto custo de usar bolachas em massa dos materiais.

na pesquisa descrita na natureza do jornal, uma película fina de grafeno é colocada em cima de uma bolacha de arsenieto de gálio (gaas). em seguida, os semicondutores compostos - que são feitos de mais de um elemento, como arseneto de gálio (gaas), fosfeto de índio (inp) e arsenieto de índio e gálio (ingaas) - são cultivados em cima dessa camada de grafeno em um processo de epitaxia.

porque o grafeno é inerte e fino no substrato, os campos de potencial eletrônico que emanam do substrato gaas podem penetrar através do grafeno. isso permite que \"informações\" sobre a estrutura atômica do substrato passem. desta forma, o filme gaas que cresceu em cima do grafeno é capaz de adotar a mesma estrutura atômica que o substrato. depois, após a formação dos semicondutores compostos, o grafeno é suficientemente liso para facilitar a remoção do semicondutor crescido, deixando a bolacha subjacente ileso.

\"Criando free-standing 'single crystalline' .... filmes finos é um desafio notório na comunidade de ciência de materiais \", diz jeehwan kim, professor assistente em mit, em uma entrevista por e-mail com o espectro do ieee. \"O aspecto surpreendente do projeto é que fomos capazes de criar semicondutores compostos de cristais únicos em larga escala em cima do grafeno, que foi capaz de descascar facilmente\".

foto: jose-luis olivares / mitleds feitos usando a técnica de cópia-máquina de grafeno.

através do uso de cálculos chamados de teoria funcional de densidade dos primeiros princípios (dft), os pesquisadores conseguiram modelar o potencial eletrônico através de um fosso de vácuo entre a bolacha Gaas e o filme fino Gaas. o modelo mostrou que, quando esse espaço é inferior a 0,9 nanômetros, o potencial eletrônico do substrato gaas ainda pode interagir com os átomos de gálio e arsênico que chegam.

com base nesses cálculos, os pesquisadores mit que a estrutura de cristal atômico da bolacha seria transferida para o semicondutor composto. A bolacha serve como uma camada de semente de cristal para crescer dispositivos monocristalinos em cima dela. O único aspecto desejado da bolacha é a sua superfície polida, que atua como a matriz monocristalina, mas a bolacha é propositadamente feita mais espessa para lhe dar rigidez mecânica para resistir ao processamento severo.

a necessidade de uma fonte mais barata de semicondutores compostos é clara. Existem certas propriedades do silício que o tornam pobre para determinadas aplicações de dispositivos, de acordo com o kim. Por exemplo, não é possível cultivar leds de alta qualidade em cima do silício; é necessária uma bolacha de safira ou uma bolacha de carboneto de silício para esta aplicação de dispositivo.

\"Há muitos mais exemplos de certos dispositivos eletrônicos / fotônicos que dificilmente podem ser trazidos para a indústria, porque o custo das wafers torna economicamente não viável\", diz Kim. \"Estamos trazendo o conceito de reutilização infinita de bolacha especificamente para esse objetivo\".

Kim diz que o objetivo final deste projeto atinge duas coisas: em primeiro lugar, reduzir significativamente o custo de fabricação de dispositivos semicondutores compostos exóticos; e segundo para criar oportunidades para inventar novos dispositivos.

Este trabalho também aborda os problemas de fabricação que existem com materiais casados, como semicondutores de germânio e iii-v, para sistemas de silício para sistemas com lógica mais rápida. depositar esses materiais em silício tende a levar a defeitos que destroem o desempenho do dispositivo.

ilustração: mit

A fim de cultivar semicondutores com defeitos mínimos em relação ao silício, o requisito mais importante é garantir que o tamanho da rede cristalina do filme a ser cultivado seja semelhante à rede cristalina de silício, às vezes referida como correspondência de rede. infelizmente, os átomos de germânio são muito maiores do que os átomos de silício, então, se você cultivasse cristais de germânio puro em cima do silício, a diferença no tamanho da rede de cristal causaria muitos defeitos nos cristais de germânio.

Nesta última abordagem, o gaas é cultivado em grafeno pode ser transferido para um substrato de silício.

\"Essencialmente criamos uma pilha de filme de gaas monocristalino em cima de um substrato de silício monocristalino. isto é, como pretendemos nos casar com [semicondutores compostos] com \"silício\", diz kim.

Um dos maiores requisitos para qualquer tecnologia a ser adotada pela indústria é demonstrar o processamento em larga escala. o desafio atual para a equipe mit é escalar o processo de transferência de grafeno com alto rendimento. \"Há certas áreas onde a cobertura de grafeno não é ideal, queremos poder oferecer às indústrias uma transferência de grafeno de alta qualidade em grande escala de grafeno monocristalino\", acrescenta Kim.

os pesquisadores continuam a melhorar o processo de crescimento e esfoliação desses filmes compostos de semicondutores, mas eles estão mais interessados ​​em criar dispositivos heterosstructurados - dispositivos monolíticamente integrados feitos de semicondutores diferentes. até à data, que tem sido difícil de perceber devido à questão da \"correspondência de rede\" nos processos tradicionais de epitaxia.

Kim acrescenta: \"estamos criando e fabricando novos dispositivos, empilhando semicondutores diferentes em cima de cada um. nós queremos amalgamar todas as propriedades únicas e altamente vantajosas de múltiplos semicondutores em um único dispositivo \".

palavras-chave: composto mit, semicondutores iii-v, fosfeto de índio, epitaxia, bolachas, grafeno, arsenieto de gálio, arseneto de indio e gálio

fonte: ieee

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