Revolucionário: Era pós-silício inaugurada com transístor 2D à base de metal

Eletr?nica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/03/2025

Eletr?nica p?s-sil?cio

Os materiais semicondutores est?o na base de toda a eletr?nica moderna, a mat?ria-prima com a qual s?o fabricados componentes como transistores, diodos e circuitos integrados. Gra?as ? sua condutividade el?trica intermedi?ria, entre os condutores, como os metais, e os isolantes, os semicondutores possuem caracter?sticas ?nicas que os tornam ideais para controlar o fluxo de corrente el?trica, permitindo criar os bits dos computadores e de tudo o mais.

Mas talvez j? estejamos prontos para come?ar deixar para tr?s o semicondutor mais famoso, o sil?cio, e criar uma nova gera??o de eletr?nicos melhores, menores e mais r?pidos - e fazer isto desenvolvendo novos semicondutores ? base de metais.

? o que acabam de demonstrar Junchuan Tang e colegas da Universidade de Pequim, na China, que usaram o metal bismuto para criar um trans?stor com um desempenho sem precedentes, dando um passo concreto rumo ? era p?s-sil?cio.

Usando nanocamadas monoat?micas de bismuto e sel?nio - essas camadas se tornam semicondutoras -, a equipe criou transistores 40% mais r?pidos do que os transistores de sil?cio mais modernos, fabricados com tecnologia de 3 nan?metros por empresas como Intel e TSMC. Al?m disso, os componentes ? base de bismuto consomem 10% menos energia do que seus concorrentes.

"O desempenho e a efici?ncia energ?tica deste trans?stor excedem os limites f?sicos dos transistores tradicionais ? base de sil?cio e ? o trans?stor mais r?pido e de consumo de energia mais baixo do mundo at? o momento. Este trabalho original rompe o gargalo da s?ntese precisa de novos materiais bidimensionais e da integra??o heterog?nea tridimensional de novos materiais com chips de baixa pot?ncia e alta velocidade na era p?s-Moore, trazendo novas oportunidades para o desenvolvimento de tecnologias avan?adas de chips no futuro," garante a equipe.

At? agora, a opini?o geral era de que a supera??o da Lei de Moore s? viria com a computa??o inspirada no c?rebro.

• Vem a? a microeletr?nica sem semicondutores

Eletr?nica 2D

H? muito tempo a ind?stria se debate com as dificuldades de prosseguir com o ritmo da miniaturiza??o dos transistores de sil?cio, que ficam cada vez mais dif?ceis de serem fabricados conforme se aproximam da escala at?mica, al?m de apresentarem problemas s?rios de consumo.

Isso fez aumentar o interesse nos materiais bidimensionais, mas at? agora os l?deres nessa vertente continuavam sendo alguns semicondutores mais tradicionais ou estrelas emergentes, como os chamados materiais de van der Waals, como a molibdenita, os dicalcogenetos de metais de transi??o ou mesmo o grafeno.

A equipe chinesa inovou em duas frentes. Primeiro, eles trabalharam com uma mistura heterog?nea ? base de bismuto (metal) e sel?nio (um n?o-metal) (Bi₂O₂Se/Bi₂SeO₅). Segundo, eles criaram uma estrutura de trans?stor totalmente diferente dos tradicionais transistores 3D FinFET, que v?m dominando a ind?stria h? mais de uma d?cada.

Batizada de GAAFET, sigla em ingl?s para "trans?stor de efeito de campo de porta total", a nova estrutura elimina a necessidade da "aleta" caracter?stica do projeto 3D dos FinFETs, aumentando a ?rea de contato entre a porta e o canal. Um canal bidimensional de Bi₂O₂Se ? completamente cercado por um cristal ?nico de Bi₂SeO₅, formando uma estrutura heterog?nea de grade totalmente c?clica de alta qualidade, com uma interface plana ultrafina de n?vel at?mico, com espessura total na faixa de 1,2 nan?metro.

"[Nossos transistores 2D] t?m trincheira at?mica e espessura da camada de ?xido de porta uniformes, baixa densidade de defeitos na interface, alta mobilidade eletr?nica, alta taxa de comuta??o de corrente, oscila??o de limite quase termodin?mico, melhor controle de canal e desempenho est?tico," afirma a equipe.

Funcionou e funcionou bem

Os pesquisadores usaram seus transistores 2D GAAFET para criar circuitos computacionais de demonstra??o, incluindo portas l?gicas NOT, NAND e NOR, o que serviu para confirmar o baixo consumo de energia e baixa tens?o operacional (0,5 V), al?m de um ganho excepcional - ganho ? uma m?trica fundamental de um transistor, expressando sua capacidade de amplificar um sinal el?trico que passa por ele.

? dif?cil exagerar a import?ncia desta demonstra??o, que supera praticamente todas as barreiras para o desenvolvimento da eletr?nica bidimensional - a eletr?nica feita com base em materiais monoat?micos, ou 2D -, n?o apenas alcan?ando a precis?o necess?ria dos componentes, mas sobretudo por superar a ?ltima gera??o da tecnologia baseada no sil?cio.

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Bismuto

Mostrando que o bismuto pode se tornar a estrela da nova eletr?nica bidimensional, pesquisadores canadenses divulgaram simultaneamente resultados de um trabalho separado, confirmando que o metal pode servir como base para componentes eletr?nicos altamente est?veis.

Embora estivessem trabalhando com amostras muito maiores, na faixa dos 68 nan?metros de espessura, Oulin Yu e colegas da Universidade McGill registraram um misterioso efeito el?trico (efeito Hall an?malo) no bismuto ultrafino que permanece inalterado em uma ampla faixa de temperatura, de quase zero absoluto (-273?C) at? a temperatura ambiente.

Embora ainda n?o tenham uma explica??o para esse comportamento, a equipe canadense sugere que a estrutura at?mica do bismuto restringe o movimento dos el?trons de uma forma que imita o comportamento dos isolantes topol?gicos, subst?ncias ex?ticas cujas superf?cies e interiores apresentam propriedades diferentes - esses materiais j? se tornaram estrelas da computa??o qu?ntica, mas tamb?m poder?o gerar outra revolu??o na computa??o.

Essa estabilidade impressionante do bismuto poder? viabilizar o desenvolvimento de componentes eletr?nicos mais eficientes, mais est?veis e at? mais corretos ecologicamente, j? que o bismuto n?o ? t?xico e ? biocompat?vel.

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