Pesquisadores do Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA estão desenvolvendo a próxima geração de chips que serão menores, mais finos e mais eficientes. A equipe de pesquisa, liderada por Shoaib Khalid, está investigando o uso de dicogenetos de metais de transição (TMD) para substituir o silício nos processadores.
Em uma entrevista ao Tom’s Hardware, Shoaib disse: “Os chips estão ficando cada vez menores, de modo que seu limite está quase atingido em termos de funcionalidade e tamanho.” A Lei de Moore afirma que a contagem de transistores em semicondutores dobrará a cada dois anos. No entanto, à medida que os nós de processo se tornam menores, espera-se que a Lei de Moore desacelere para três anos, em vez dos habituais dois. Depois disso, em breve atingiremos os limites físicos dos semicondutores, à medida que começamos a atingir a escala de dois nanômetros ou menos.
Shoaib e sua equipe estão investigando o uso de TMD como um material 2D para substituir o design atual de chips 3D. Os TMDs podem ser tão finos quanto três átomos e atuar como um sanduíche de metal — o ‘pão’ usa elementos calcogênios, também conhecidos como elementos da família do oxigênio. Isso pode ser oxigênio, enxofre, selênio ou telúrio. Qualquer metal de transição pode então servir como recheio para o ‘sanduíche’.
Como os TMDs são tão finos, pequenas alterações, como um átomo faltando ou extra em qualquer camada, impactariam o desempenho do material. Embora essas alterações sejam chamadas de ‘defeitos’, elas não são necessariamente um fenômeno indesejado. Por exemplo, a presença de hidrogênio durante o processo de fabricação do TMD causa um excesso de elétrons. Isso dá ao TMD uma carga negativa.
Shoaib disse: “Dependendo do tipo e da natureza dos defeitos, eles se comportam de maneira diferente em um material e podem alterar as propriedades do material. Por exemplo, eles podem criar excesso de elétrons no material, tornando-o do tipo n (material com mais elétrons) ou criar mais buracos, tornando-o do tipo p (material com mais buracos ou carga positiva).”
Os chips de computador usam uma combinação de material com carga negativa (tipo n) e material com carga positiva (tipo p) para oferecer melhor condutividade elétrica. A tecnologia de semicondutores atual usa dopagem para obter essas propriedades de propósito. Sabendo como os defeitos nos TMDs são induzidos, podemos então criar esses materiais do tipo n e tipo p, mas na escala atômica.
Os princípios por trás dos semicondutores de silício e dos TMDs são os mesmos, mas os últimos têm várias vantagens. Shoaib diz que os TMDs têm bandgaps ajustáveis controlados pela alteração do número de camadas; eles podem ser tão finos quanto uma monocamada, que tem apenas três átomos de altura. Você pode usar diferentes materiais para criá-los e eles são flexíveis, mas duráveis. “No final, o objetivo é ter chips mais inteligentes e baratos,” diz Shoaib.
Os problemas que Shoaib e sua equipe estão enfrentando hoje provavelmente são os mesmos que os pesquisadores que trabalhavam nos primeiros semicondutores enfrentavam há 50 anos. No entanto, eles estavam trabalhando em uma escala maior, em termos de tamanho. A equipe do PPPL está resolvendo o mesmo problema, mas em nível atômico.
Então, quão em breve veremos TMDs dentro de nossos telefones e PCs? A TSMC já está olhando para chips de 1nm, com outras empresas introduzindo um roteiro para transistores sub-nanômetro até 2036. “Empresas como a Intel já estão trabalhando na fabricação de transistores a partir desses TMDs,” diz Shoaib. “Acho que, até 2030, podemos ter um transistor TMD real que pode ser usado em dispositivos.”
