Stanford Avança: Transistores Atomicamente Finos de 100 nm Impulsionam Eletrônica Flexível

Circuitos de computador ultrfinos e flexíveis têm sido uma meta de engenharia por anos, mas obstáculos técnicos impediram o grau de miniaturização necessário para alcançar alto desempenho. Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford inventaram uma técnica de fabricação que produz transistores flexíveis, atomicamente finos, com menos de 100 nanômetros de comprimento — várias vezes menores que o anteriormente possível.

Com o avanço, disseram os pesquisadores, a chamada "flextrônica" se aproxima da realidade. Eletrônica flexível promete circuitos de computador dobráveis, moldáveis, mas energeticamente eficientes que podem ser usados no, ou implantados no, corpo humano para realizar inúmeras tarefas relacionadas à saúde. Além disso, a vindoura "internet das coisas", na qual quase todos os dispositivos em nossas vidas são integrados e interconectados, deve se beneficiar similarmente da flextrônica.

Entre materiais adequados para eletrônica flexível, semicondutores bidimensionais (2D) mostraram promessa devido às suas excelentes propriedades mecânicas e elétricas, mesmo na nanoescala, tornando-os melhores candidatos que silício convencional ou materiais orgânicos.

O desafio de engenharia até agora tem sido que formar esses dispositivos quase impossivelmente finos requer um processo que é muito intensivo em calor para substratos plásticos flexíveis. Esses materiais simplesmente derreteriam e se decomporiam no processo de produção.

A solução, segundo os pesquisadores, é fazer em etapas, começando com um substrato base que é tudo menos flexível. Eles formaram um filme atomicamente fino do semicondutor 2D dissulfeto de molibdênio (MoS2) sobreposto com pequenos eletrodos de ouro nano-padronizados sobre uma laje sólida de silício revestida com vidro. Como esta etapa é realizada no substrato de silício convencional, as dimensões nanoscópicas do transistor podem ser padronizadas com técnicas avançadas de padronização existentes, alcançando uma resolução impossível em substratos plásticos flexíveis.

Esta técnica de camadas, conhecida como deposição química de vapor (CVD), cresce um filme de MoS2 uma camada de átomos por vez. O filme resultante tem apenas três átomos de espessura, mas requer temperaturas chegando a 850°C (mais de 1500°F) para funcionar. Em comparação, o substrato flexível — feito de poliamida, um plástico fino — teria perdido sua forma em torno de 360°C (680°F), e se decomposto completamente em temperaturas mais altas.

Ao primeiro padronizar e formar estas partes críticas no silício rígido e permitir que esfriem, os pesquisadores de Stanford podem aplicar o material flexível sem danos. Com um simples banho em água desionizada, toda a pilha do dispositivo descasca, agora totalmente transferida para a poliamida flexível.

Após algumas etapas adicionais de fabricação, os resultados são transistores flexíveis capazes de desempenho várias vezes melhor que qualquer um produzido antes com semicondutores atomicamente finos. Os pesquisadores disseram que, embora circuitos inteiros pudessem ser construídos e então transferidos para o material flexível, certas complicações com camadas subsequentes tornam estas etapas adicionais mais fáceis após a transferência.

"No final, a estrutura inteira tem apenas 5 mícrons de espessura, incluindo a poliamida flexível," disse o Professor Eric Pop. "Isso é cerca de dez vezes mais fino que um fio de cabelo humano."

Enquanto a conquista técnica em produzir transistores nanoscópicos em material flexível é notável por si só, os pesquisadores também descreveram seus dispositivos como "alto desempenho", o que neste contexto significa que eles são capazes de lidar com altas correntes elétricas enquanto operam em baixa tensão, conforme requerido para baixo consumo de energia.

"Esta redução de escala tem vários benefícios," disse Dr. Daus. "Você pode encaixar mais transistores em uma determinada área, claro, mas também pode ter correntes mais altas em tensão mais baixa — alta velocidade com menos consumo de energia."

Enquanto isso, os contatos metálicos de ouro dissipam e espalham o calor gerado pelos transistores enquanto em uso — calor que de outra forma poderia comprometer a poliamida flexível.

Com um protótipo e pedido de patente completos, Daus e Pop passaram para seus próximos desafios de refinar os dispositivos. Eles construíram transistores similares usando outros dois semicondutores atomicamente finos (MoSe2 e WSe2) para demonstrar a ampla aplicabilidade da técnica.

Enquanto isso, Daus disse que está olhando para integrar circuitaria de rádio com os dispositivos, o que permitirá variações futuras se comunicarem sem fio com o mundo exterior — outro grande salto em direção à viabilidade para flextrônica, particularmente aquelas implantadas no corpo humano ou integradas profundamente dentro de outros dispositivos conectados à internet das coisas.

"Esta é mais do que uma técnica de produção promissora. Alcançamos flexibilidade, densidade, alto desempenho e baixo consumo — tudo ao mesmo tempo," disse Pop. "Este trabalho esperançosamente moverá a tecnologia para frente em vários níveis."