Eletrônica

Microeletrônica sem semicondutores é feita com metamateriais

Microeletrônica sem semicondutores é possível com metamateriais
Esquema da metassuperfície que permite fazer eletrônica com elétrons livres. [Imagem: UC San Diego Applied Electromagnetics Group]

Metaeletrônica

Acaba de ser demonstrada a viabilidade de se construir circuitos microeletrônicos que dispensam totalmente os semicondutores, os materiais que estão na base de toda a tecnologia informática atual - é com semicondutores que se fabrica diodos, transistores etc, com que são feitos os chips, ou circuitos integrados.

O novo circuito é um triunfo dos metamateriais, estruturas artificiais que surgiram há poucos anos e que se tornaram conhecidas pelos mantos de invisibilidade e outros experimentos pitorescos. Contudo sua versatilidade vem ampliando rapidamente sua utilidade, graças a propriedades que os metamateriais têm de manipular a luz - com quase todas as frequências do espectro eletromagnético - de uma maneira que nenhum material natural é capaz.

Isso equivale a dizer que o novo circuito lógico é controlado por luz.

O protótipo tem uma condutividade 1.000 vezes maior do que circuitos eletrônicos equivalentes, e abre o caminho para a construção de circuitos fotônicos mais rápidos e com um consumo mínimo de energia.

Substituindo os semicondutores

Por melhores que venham se tornando ao longo do tempo, os circuitos eletrônicos atuais têm limitações estabelecidas pelos materiais de que são feitos - os semicondutores.

Por exemplo, o semicondutor impõe um limite à condutividade elétrica de um circuito, ou seja, à velocidade com que os elétrons conseguem fluir através dele. Os semicondutores funcionam com base em uma característica conhecida como hiatos de energia, ou bandgap, o que significa que os elétrons precisam de um impulso extra de energia para fluir através deles. E sua velocidade é limitada porque eles estão sempre colidindo com átomos conforme fluem ao longo do material.

Ebrahim Forati e seus colegas da Universidade da Califórnia em San Diego superaram essa deficiência de condutividade substituindo os semicondutores por elétrons livres no espaço.

O desafio é que liberar elétrons de um material e fazê-los "alçar voo" exige altas tensões (pelo menos 100 volts), temperaturas muito altas (mais de 500º C) ou lasers de alta potência, nenhum dos quais é compatível com dispositivos eletrônicos em micro e nanoescala.

Forati trocou essas possibilidades tradicionais por uma metassuperfície, um arranjo de pequenas nanoestruturas de ouro, em forma de cogumelo e de fitas, implantadas alternadamente na superfície de uma pastilha de silício.

Microeletrônica sem semicondutores é possível com metamateriais
Microfotografia, colorida artificialmente, da metassuperfície real. [Imagem: UC San Diego Applied Electromagnetics Group]

Eletrônica com metamateriais

Quando a metassuperfície é atingida por uma corrente contínua de baixa tensão (menos de 10 volts) e por um laser infravermelho de baixa potência, ela gera "pontos quentes", pontos localizados onde emerge um campo elétrico de alta intensidade. E essa intensidade é suficiente para liberar os elétrons no espaço, onde eles podem ser usados para realizar operações lógicas.

Segundo a equipe, esta primeira metassuperfície foi construída como prova de conceito e diferentes metassuperfícies deverão ser construídas e otimizadas para diferentes tipos de circuitos.

"Isto certamente não vai substituir todos os componentes semicondutores, mas pode ser a melhor abordagem para algumas aplicações especiais, como aparelhos de frequência muito alta ou potência muito elevada," disse o professor Dan Sievenpiper.

A equipe também já está de olho em outras aplicações, além da eletrônica, como fotoquímica, fotocatálise, sensores ambientais e até mesmo novas abordagens para as células solares.

Bibliografia:

Photoemission-based microelectronic devices
Ebrahim Forati, Tyler J. Dill, Andrea R. Tao, Dan Sievenpiper
Nature Communications
Vol.: 7, Article number: 13399
DOI: 10.1038/ncomms13399




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