Equipe de pesquisa supera desafios materiais, oferecendo um novo caminho para LEDs de alta eficiência

O silício tem dominado há muito tempo a corrida dos materiais semicondutores, mas seus "defeitos inerentes" no campo optoeletrônico também limitaram seu potencial de crescimento. Recentemente, pesquisadores desenvolveram um novo material semicondutor composto por germânio e estanho, que apresenta maior eficiência de absorção e emissão de luz em comparação com os semicondutores de silício e pode se tornar a próxima geração de semicondutores de alto desempenho.

O silício é a pedra angular da Indústria eletrônica moderna; os chips na maioria dos produtos eletrônicos, como computadores e celulares, são feitos principalmente de silício e ainda são difíceis de substituir por outros materiais.

Embora o silício possua vantagens como maturidade tecnológica e baixo custo, sua característica de "banda proibida indireta" resulta em uma eficácia luminosa muito inferior à dos materiais de banda proibida direta (como o arsenieto de gálio GaAs). Consequentemente, não pode servir diretamente como dispositivo eficiente de fonte de luz a laser ou LED e tem dificuldades em fazer contribuições significativas no campo da optoeletrônica.

Para realizar comunicação óptica em chips (mais rápida e com poupança de energia do que a transmissão eletrônica), os engenheiros geralmente precisam integrar heterogeneamente materiais caros do grupo III-V (como o arsenieto de gálio), um processo complexo e custoso. Portanto, os cientistas têm se dedicado há muito tempo a desenvolver alternativas usando materiais do grupo IV, entre os quais as ligas de germânio-estanho (GeSn) são consideradas o "Santo Graal" do campo dos semicondutores.

Diferentemente dos materiais do grupo III-V, o germânio e o estanho pertencem ambos ao grupo de elementos do IV. A dopagem de redes de germânio com uma proporção específica de estanho pode alterar a estrutura de bandas, transformando-o em um material de "banda proibida direta", proporcionando maior mobilidade de portadores; simultaneamente, os elementos do grupo IV são altamente compatíveis com os processos existentes de circuitos integrados de silício, tornando-os foco de atenção nas aplicações optoeletrônicas.

Historicamente, o principal desafio das ligas de germânio e estanho foi que estes dois elementos são difíceis de reagir quimicamente em condições convencionais. Apenas recentemente, uma equipa da Universidade de Edimburgo conseguiu preparar com sucesso uma liga estável de germânio e estanho aquecendo uma mistura de germânio e estanho até 1200 °C e aplicando pressões de até 10 GPa, permitindo que permanecesse estável à temperatura e pressão ambientes.

Seja para dispositivos eletrônicos de nova geração ou para data centers com demanda de energia em crescimento contínuo, o futuro confia na transmissão óptica para melhorar a eficiência energética; novos materiais devem permitir operação mais rápida dos dispositivos e menor consumo de energia.

Artigos relacionados foram publicados no Journal of the American Chemical Society (Sociedade Americana de Química, ACS).

Fonte: TechNews