Feita primeira imagem do funcionamento de um transístor

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/07/2019

Elétrons ejetados por um feixe de luz focado em um transístor bidimensional são coletados e analisados para determinar como a estrutura eletrônica do material muda à medida que uma tensão é aplicada entre os eletrodos.
[Imagem: Nelson Yeung/Nick Hine/Paul Nguyen/David Cobden]

Elétrons em movimento

A estrutura eletrônica de um componente microeletrônico foi visualizada pela primeira vez.

Apesar de a eletrônica estar na base de toda a nossa tecnologia, ninguém até hoje havia visualizado o funcionamento de seu componente mais fundamental, o transístor.

Muito mais do que uma mera curiosidade, a visualização direta do comportamento do transístor abre oportunidades para desenvolver componentes eletrônicos de melhor desempenho e finamente ajustados para cada aplicação.

Para isso, físicos das universidades de Warwick (Reino Unido) e Washington (EUA) desenvolveram uma técnica para medir a energia e o momento dos elétrons movimentando-se por transistores feitos de materiais atomicamente finos, chamados bidimensionais, como o grafeno.

Imagem do funcionamento de um transístor

A técnica utiliza espectroscopia de fotoemissão com resolução angular (ARPES) para energizar os elétrons no material que compõe o transístor. Focalizando um feixe de luz ultravioleta, ou raios X, nos átomos de uma área localizada, os elétrons energizados são arrancados de seus átomos, possibilitando medir sua energia e a direção em que viajam.

Com essas informações, usando as leis da conservação de energia e de momento, é possível monitorar a energia e o momento dos elétrons conforme eles trafegam e fazem o transístor funcionar. Isso determina a estrutura eletrônica do material semicondutor, que pode então ser comparada com previsões teóricas baseadas em cálculos de estrutura eletrônica daquele material.

De posse de todas essas informações, a técnica permite criar representações visuais das propriedades elétricas e ópticas dos materiais com que cada transístor é feito.

Isso abre o caminho para o desenvolvimento dos semicondutores bidimensionais, que provavelmente desempenharão um papel na próxima geração de eletrônicos, além de aplicações como energia fotovoltaica, tecnologia spintrônica e computadores quânticos.

Estas são as imagens da coisa real: o funcionamento de um transístor de grafeno.
[Imagem: Nguyen et al. - 10.1038/s41586-019-1402-1]

Estrutura eletrônica

A estrutura eletrônica de um material descreve como os elétrons se comportam dentro desse material e, portanto, a natureza da corrente que flui através dele. Esse comportamento pode variar dependendo da tensão - a quantidade de "pressão" em seus elétrons - aplicada ao material. O conhecimento detalhado desse comportamento permite então ajustar a estrutura eletrônica com a tensão para alcançar a máxima eficiência dos circuitos microeletrônicos.

Essas mudanças na estrutura eletrônica dos componentes estão na base de toda a eletrônica moderna. Até agora, no entanto, ninguém havia conseguido visualizar diretamente essas mudanças, o que vai ajudar a entender como elas afetam o comportamento dos elétrons.

"É o modo como a estrutura eletrônica muda com a tensão [elétrica] que determina como um transístor em seu computador ou televisão funciona. Pela primeira vez estamos visualizando diretamente essas mudanças. Não ser capaz de ver como isso muda com as voltagens era um grande elo perdido. Este trabalho está no nível fundamental e é um grande passo para entender os materiais e a ciência por trás deles.

"A nova percepção do interior dos materiais está nos ajudando a entender as lacunas de banda [bandgaps] desses semicondutores, que é o parâmetro mais importante que afeta seu comportamento, qual comprimento de onda de luz eles emitem, até como eles ligam e desligam a corrente em um transístor," disse o professor Neil Wilson.

Bibliografia:

Artigo: Visualizing electrostatic gating effects in two-dimensional heterostructures
Autores: Paul V. Nguyen, Natalie C. Teutsch, Nathan P. Wilson, Joshua Kahn, Xue Xia, Abigail J. Graham, Viktor Kandyba, Alessio Giampietri, Alexei Barinov, Gabriel C. Constantinescu, Nelson Yeung, Nicholas D. M. Hine, Xiaodong Xu, David H. Cobden, Neil R. Wilson
Revista: Nature
DOI: 10.1038/s41586-019-1402-1

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