[O texto abaixo é da autoria de Elton Alisson e foi publicado hoje no site da Agência FAPESP.]
A indústria de computação se depara atualmente com o desafio de melhorar
a performance dos transistores de silício utilizados nos
microprocessadores de computadores comercializados em todo o mundo. Uma tecnologia desenvolvida por um pesquisador brasileiro, juntamente
com cientistas da Suíça, pode dar origem a uma nova geração de
transistores de silício que possibilitaria aumentar o desempenho e
diminuir o consumo de energia dos processadores.
Os cientistas desenvolveram um método que possibilita produzir nanofios
de silício com maior velocidade de elétrons do que a atingida até agora
por outros grupos que trabalham com o material – que poderá ser a base
dos novos chips de computadores e de outros componentes eletrônicos. Resultado de um trabalho de pós-doutorado realizado por Renato Amaral
Minamisawa no Instituto Paul Scherrer do Instituto Federal Suíço de
Tecnologia de Zurique (ETH Zürich) – com o qual a FAPESP assinou um acordo de cooperação no fim de junho –, os resultados do estudo foram publicados na Nature Communications.
Por meio da tecnologia, Minamisawa e colaboradores conseguiram produzir
nanofios em um substrato de silício com tensão mecânica até três vezes
maior do que as obtidas por outros grupos de pesquisa de locais como o
Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e as universidades de
Princeton e de Stanford, nos Estados Unidos, e pelas próprias indústrias
de microprocessadores. Filamentos minúsculos, os nanofios de silício são apontados como um dos
materiais semicondutores mais promissores para tornar mais eficientes os
microprocessadores baseados na tecnologia de silício.
O motivo é que, ao esticar ou comprimir ambas as extremidades de um fio
de silício, cria-se uma tensão mecânica (estresse) que pode melhorar
significativamente as propriedades eletrônicas do material e aumentar
significativamente a mobilidade dos elétrons – o que faz com que os
transistores e, consequentemente, os microprocessadores sejam mais
rápidos e consumam menos energia.
Desde 2003 todos os microprocessadores usam silício estressado no canal
de transistores. Porém, existem limitações para aumentar a tensão
mecânica do material e para implementar nanofios de silício estressados
em componentes eletrônicos. Ao utilizar uma combinação de técnicas, Minamisawa e colegas
desenvolveram nanofios de silício com estresse de até 7,5 Giga Pascal
(GP), contra no máximo 2 GP alcançados por outros grupos. “Batemos o recorde de estresse em nanofios de silício, em comparação com
outras tecnologias que foram desenvolvidas para esta finalidade em
universidades, instituições de pesquisa e indústrias nos Estados Unidos,
Europa e no Japão”, disse Minamisawa à Agência FAPESP.
Como material de partida para produzir os nanofios com maior tensão
mecânica, os pesquisadores utilizaram um substrato produzido
industrialmente com uma camada de silício levemente estressada sobre uma
camada de óxido de silício, chamado “silício estressado em um
isolante”. Por meio de técnicas de litografia e de corrosão, eles criaram nanofios
de silício suspensos por contatos largos, dando origem a nanofios com 30
nanômetros de largura e 15 nanômetros de espessura.
Nesta nanoestrutura, a tensão mecânica se concentra na menor área de
secção (constrição), ou seja, no nanofio. Desse modo, o nanofio estica
enquanto os contatos relaxam da tensão inicial do substrato,
multiplicando a tensão aplicada nele. Com isso, é possível produzir milhares de nanofios com um estado
permanente de tensão mecânica bem definida e em diversas escalas. “Por
meio da técnica de litografia, desenvolvemos um método que multiplica o
estresse de uma camada de silício já pré-estressada e que é compatível
com os métodos de fabricação e materiais utilizados na indústria
eletrônica hoje”, explicou Minamisawa. Para medir a distribuição de tensão no material em detalhe, os
pesquisadores realizaram ensaios de espectrometria Raman e simulações
computacionais no Laboratório de Nanometalurgia da ETH.
Os nanofios também serão estudados na fonte de luz síncrotron da Suíça
com o objetivo de determinar quanto as propriedades eletrônicas do
material mudaram.
Aplicação industrial
De acordo com Minamisawa, a tecnologia está em processo de patenteamento
na Europa e pode permitir a fabricação de uma grande variedade de
semicondutores com propriedades únicas para aplicações nas áreas de
nanoeletrônica, fotônica e fotovoltaica. Mas, para isso, os pesquisadores vão estudar agora em um consórcio
formado com algumas empresas na Europa como incorporar os nanofios de
silício que desenvolveram em uma estrutura de transistor. “É claro que para essa tecnologia chegar à indústria existe uma série de
barreiras, porque será preciso mudar toda a tecnologia usada hoje, que é
extremamente sofisticada. Mas mesmo que não resulte em aplicações em
microeletrônica, nossa pesquisa pode ajudar a demonstrar os limites de
performance do silício como um material para microeletrônica”, afirmou
Minamisawa.
A técnica foi utilizada inicialmente pelos pesquisadores do Instituto
Paul Scherrer no desenvolvimento de um laser de germânio, que pode ser
incorporado nos chips de silício e abre a perspectiva de os microprocessadores trocarem dados usando luz em vez de corrente elétrica. Ao se juntar ao Laboratório de Micro e Nanotecnologia da instituição de
pesquisa suíça em 2011, Minamisawa colaborou com a ideia de transferir a
aplicação da tecnologia para o material que pesquisou durante seu
doutorado, realizado na Alemanha. “Quando comecei a trabalhar com nanofios de silício estressados, não
imaginava que eles ser tornariam viáveis comercialmente. Mas, no ano
passado, a Intel anunciou que os novos microchips que fabricará serão
baseados em nanofios de silício estressados”, contou.
De acordo com Minamisawa, as vantagens de se utilizar nanonofios de silício é que eles possibilitam controlar melhor o switch – componente elétrico que pode quebrar um circuito elétrico,
interrompendo a corrente ou desviando-a de um condutor para outro – dos
componentes eletrônicos. “A associação da a arquitetura de nanofio com o silício estressado
permitiria desenvolver transistores mais rápidos e que consomem menos
energia”, disse.
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