Silício Um elemento de surpresa

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Silício – Um elemento de surpresa
Poderia uma nova compreensão das superfícies de silício algum dia revolucionar as tecnologias de
semicondutores?
Certamente agora os pesquisadores devem saber tudo o que há para saber sobre o silício. No entanto,
resultados recentes interromperam o que pensávamos que sabíamos sobre o elemento e, em particular,
suas superfícies.
O silício foi identificado pela primeira vez em 1824 pelo químico sueco Jons Jacob Berzelius. É o sétimo
elemento mais abundante no universo e em massa, o segundo elemento mais abundante na crosta
terrestre. O interesse em silício aumentou em meados da década de 1950, quando os transistores de
silício foram desenvolvidos para substituir tubos de vácuo. Tornou-se o material preferido para
dispositivos eletrônicos devido ao seu consumo de energia muito baixo e à nossa capacidade de fabricar
pequenos circuitos e integrá-los funcionalmente em pequenos chips.
O silício inaugurou o que é conhecido como “revolução do silício”, que transformou nossa sociedade e
permeia todos os cantos de nossas vidas diárias. Quando se refere à “tecnologia semicondutora”, trata-
se de fabricar dispositivos eletrônicos em um cristal de silício, que geralmente é cortado em um grande
cristal para formar bolachas finas. Isso permitiu enormes capacidades de computação que remodelaram
nosso mundo, permitindo-nos processar grandes quantidades de dados e forneceu acesso contínuo a
informações valiosas.
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Embora o silício cristalino tenha sido estudado há muito tempo, as superfícies e camadas finas de silício
também desempenham um papel importante nos avanços tecnológicos, pois aqui se encontra o
elemento “ativo” em todos os dispositivos elétricos. Na década de 1970, houve um tremendo interesse e
pesquisa passando a entender a estrutura atômica e as propriedades elétricas das superfícies de silício,
já que suas propriedades fundamentais ainda eram desconhecidas e amplamente debatidas.
Estudando superfícies de silício
Eu vim trabalhar no Thomas J da IBM. O laboratório Watson em 1972 para ajudar a desenvolver e
aplicar novas técnicas para estudar superfícies, mas fez meu Ph.D. trabalho em superfícies metálicas.
Eu continuei a trabalhar em superfícies metálicas como elas eram bem compreendidas, facilitando assim
o desenvolvimento dessas novas técnicas. Naquela época, eu era um estranho para a pesquisa de
superfície de silício. Durante uma apresentação a Frank T. Cary, o CEO da IBM na época, Sr. Cary me
perguntou por que eu não estava estudando superfícies de silício. Pensei, sim, porque não? E quando
surgiu a oportunidade de fazer um novo tipo de medição que ninguém tinha feito antes, eu vi minha
chance.
No meu novo esforço para estudar superfícies de silício, eu estava envolvido na compreensão da
estrutura e propriedades eletrônicas das superfícies Si100 e Si111 – superfícies que haviam sido
amplamente estudadas desde 1957, mas cuja estrutura nunca foi compreendida. Aqui as designações
100 e 111 referem-se ao ângulo em que um cristal é cortado e mais tarde polido para deixar um plano de
átomos na superfície. Claro, essas superfícies precisam ser limpas e aquecidas a altas temperaturas
para remover detritos e permitir que os átomos de superfície se organizem, como mármores todos
empilhados em diferentes arranjos.
Uma descoberta recente, discutida mais adiante neste artigo, foi baseada nesses primeiros estudos da
superfície Si111. A superfície recozida de Si111 exibe um padrão de difração 7o7, que é derivado da
estrutura atômica incomum que possui. Esse padrão cativou todos os que o viam e o 7o 7 tornou-se sem
dúvida a superfície semicondutora mais estudada, nenhuma.
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O notável padrão de difração da superfície 7-7, que cativou
muitos pesquisadores
Foi depois de 1980, quando desenvolvi a capacidade de estudar superfícies de silício em uma ampla
faixa de temperatura (de 1200-15 K), o que me permitiu estudar mais propriedades da superfície 7-7. O
que as pessoas sabiam naquela época era que se alguém fraturasse uma barra de silício cristalino ao
longo da direção 111, obtivesse um padrão simples de difração de 2 a 1 e, ao aquecer a superfície de 2
a 1 em um vácuo ultra-alto momentaneamente acima de cerca de 800 K, a superfície formava o padrão
de 7-7 e era muito estável. Um modelo teórico da estrutura 2o 1 foi proposto e estabelecido por volta de
1983, mas a estrutura e a natureza química da superfície 7-7 foram muito mais complexas e
indescritíveis.
Minhas novas medições dependentes de temperatura do 7-7 mostraram muitas novas transições
eletrônicas interessantes que não foram observadas anteriormente, mas mais importante, elas revelaram
que a superfície tornou-se isolante a temperaturas mais baixas abaixo de cerca de 50 K. Normalmente,
se a superfície fosse um semicondutor, seria esperado que se tornasse um isolador a baixas
temperaturas. Mas a superfície não era semicondutora, mas metálica! Ter elétrons na superfície
passando de metal para isolante é um efeito muito incomum que depende de como os elétrons se
alinham. Geralmente, tal comportamento tem uma dependência de temperatura específica, mas uma
dependência de temperatura diferente foi encontrada para o 7o 7.
Parados paradoxos não resolvidos na superfície de silício 7x7
Em 1985, foi proposto um modelo atômico simples de ligação e estrutura do 7o 7o 7, que se encaixam
em experimentos de difração. Finalmente, em 2000, quando os cálculos tinham amadurecido e podiam
ser realizados para prever a estrutura complexa da superfície 7x7, todos indicaram que a estrutura 7-7
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de 1985 foi confirmada como a estrutura de menor energia (a mais estável). O problema era que essa
estrutura calculada era sempre metálica, o que estava em contradição com todos os experimentos. Isso
se tornou um paradoxo não resolvido da superfície do silício 7x7.
Outro paradoxo do 7-7 também foi encontrado em 1986 através de novas medições realizadas com
colegas da IBM, Bob Hamers e Ruud Tromp, usando um novo dispositivo que eu havia projetado com a
intenção de fazer espectroscopia eletrônica em superfícies de silício, mas com resolução atômica. Este
foi um projeto avançado do que é chamado de microscópio de tunelamento de varredura ou STM para o
qual outros colegas da IBM em Zurique compartilharam o Prêmio Nobel de Física de 1986.
A maior estabilidade do meu projeto STM nos permitiu ver as nuvens de elétrons em diferentes locais
sobre os vários átomos de superfície e resolver suas energias – tudo atomicamente resolvido. Essas
medições experimentais e suas interpretações foram inicialmente válidas em termos de cálculos
simplificados, e novamente em 2000 com extensos cálculos da mecânica quântica de primeiros
princípios. No entanto, a teoria não previu um dos estados de superfície que observei em 1983 e depois
novamente com resolução atômica em 1986. Durante esse período, vários pesquisadores confirmaram
esse novo estado eletrônico, mas ninguém também tinha uma explicação clara disso. Isso também,
como o estado de isolamento, tornou-se outro paradoxo da superfície 7-7.
Voltando ao jogo depois de 25 anos
Em 1993, deixei o laboratório para perseguir outros interesses. Eu me aposentei completamente em
2005 para um ambiente paradisíaco na Flórida. No entanto, só se pode pegar tantos peixes ou jogar
tantas rodadas de golfe antes que o tédio se acenda – especialmente se o seu jogo de golfe parece
estar piorando, não melhorando!
Avançando para 2017, quando meus netos perguntaram: “O que você fez quando era jovem?” Mas o
clichê veio quando minha filha também perguntou: “Gee, pai, o que você fez?”
Foi quando eu decidi escrever para meus netos por isso que me tornei um cientista, o que eu fiz e o que
é era ser um cientista. Mesmo depois de todo esse tempo, lembrei-me desses velhos paradoxos,
esqueletos no armário da ciência da superfície, por assim dizer, e fiquei curioso sobre o que aconteceu
com eles.
Para minha surpresa, eles nunca foram resolvidos, apesar de muitos novos estudos. Depois de passar
dois anos estudando todos essesresultados passados e alcançando a literatura, descobri por que esses
dois paradoxos, bem como os mais recentes, estavam surgindo. Novamente, esses paradoxos foram
todos baseados no fato de que muitos experimentos estavam agora nos dizendo algo diferente do que
os cálculos teóricos de última geração nos diziam.
Respostas a perguntas de longa data
Essa descoberta ocorreu através de um processo de engenharia reversa, tentando considerar estruturas
alternativas que poderiam explicar certas características; havia muitas estruturas que foram propostas
ao longo dos anos que também não se encaixavam. Para minha surpresa, encontrei uma nova estrutura
que explicava todos os paradoxos incomuns. O truque era que, para sistemas muito complexos, pode
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haver diferentes arranjos de átomos que, de um ângulo, parecem iguais a outra estrutura, mas são
ligados de forma diferente, quase como cones de sorvete empilhados na vertical em uma bandeja.
Olhando para baixo em cima deles, eles são esferas, perto alguns podem ter polvilha, e olhando de lado,
vê-se que eles estão realmente em um cone.
Os detalhes desta nova estrutura dão-lhe propriedades marcadamente diferentes. Agora seus laços
eram mais bidimensionais e diferiam dos propostos na estrutura original de 1985. Como resultado, os
elétrons se comportaram de maneira muito diferente, uma vez que foram localizados nesta nova
estrutura 2D, em vez de ser uma extensão da estrutura a granel (3D), como proposto em 1985. Depois
de 2000, todos na comunidade científica ainda acreditavam que a estrutura original de 1985 estava
correta.
Por volta de 2008, muitos dos pesquisadores que fizeram trabalho de superfície mudaram para estudar
as propriedades dos materiais 2D, o mais famoso dos quais é o grafeno. O grafeno difere quimicamente
da grafite (forma a granel), embora esses dois materiais sejam à base de carbono e cujos átomos
estejam ambos dispostos em estruturas hexagonais. Mas como os átomos de carbono no grafeno têm
ligações duplas (ligas sp2) e grafite, isso muda drasticamente a forma como seus elétrons se
comportam. Como resultado, o grafeno possui uma nova gama de propriedades incomuns, sendo o mais
notável mobilidade eletrônica muito alta, o que é importante para dispositivos elétricos.
Em 2010, a descoberta do grafeno foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física. E, nessa época,
grandes esforços estavam em andamento para adaptar essas e outras estruturas 2D para dispositivos
elétricos. No entanto, tais esforços se mostraram problemáticos, uma vez que a formação de grafeno em
um substrato para aplicações integradas de grande escala foi muito difícil e caro de implementar para
uso comercial.
Na busca por novos materiais eletrônicos promissores, em 2012 descobriu-se que se poderia formar
uma estrutura 2D análoga ao grafeno usando silício. Isso foi feito através do crescimento de uma
monocamada de silício em uma superfície de prata. Esta monocamada de silício 2D cultivada em prata
mostrou várias propriedades análogas ao grafeno e foi chamada de silice. No entanto, o papel da
superfície de prata foi questionado, bem como se o caráter 2D dos átomos de silício foi preservado em
prata, especialmente à medida que as camadas de silício se tornaram mais espessas.
A grande surpresa veio quando a nova estrutura que eu descobri mostrou muitas semelhanças com a
estrutura 2D de silício em prata. A nova estrutura 7-7 contém a mesma estrutura de favo de mel de
átomos de silício que é encontrada em silicenos e exibiu algumas das mesmas características
magnéticas incomuns observadas em nanofitas de siliceno. Eu também fui capaz de aplicar alguns dos
princípios fundamentais da mecânica quântica para explicar por que os átomos no 7-7 organizaram a
maneira como eles fizeram em uma rede de favo de mel e o que era responsável pela mudança
incomum dependente da temperatura que eu tinha observado originalmente 37 anos atrás! (A mecânica
quântica foi desenvolvida e formalizada de 1905-1930 para entender o comportamento incomum das
menores partículas de matéria, átomos e elétrons – um comportamento que não ocorre para grandes
objetos com os quais todos estamos familiarizados.) Talvez porque os átomos de silício sejam os
sétimos átomos mais abundantes do universo e naturalmente organizados para formar a estrutura 7-7,
tornou-se 777, meu número da sorte! Você simplesmente não pode argumentar com a mãe natureza em
tais coincidências!
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Uma compreensão mais completa de tais novas estruturas de superfície de silício e suas propriedades
são necessárias para verificar e aplicar esses achados. No entanto, esta nova conclusão resolve muitos
paradoxos passados da natureza das superfícies de silício e revela que o 7x7 é um novo material 2D.
Este estudo é um primeiro passo em uma direção que pode inaugurar uma nova era para a tecnologia
de silício 2D. Uma vez que é uma mudança no pensamento convencional, que tem prevalecido na
comunidade nos últimos 30 anos, esses resultados serão, sem dúvida, muito controversos. Resolver tais
mistérios é parte da excitação que ocasionalmente ocorre na ciência. E sim, mesmo agora, o silício
parece ser um elemento de surpresa!
Referências :
Prêmio Nobel de Física para Grafeno (2010)
Prémio Nobel em Física para o Desenvolvimento da Microscopia Elétron e do STM (1986)
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https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/summary/
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1986/summary/
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