PELA 1° VEZ, NANOTUBOS DE CARBONO ULTRAPASSAM A PERFORMANCE DO SILÍCIO

Há décadas, cientistas procuram formas eficazes de aproveitar as propriedades únicas de nanotubos de carbono para criar eletrônicos de alto desempenho, mais rápidos ou que consumam menos da vida útil da bateria do que os materiais atuais. Esse avanço é importante porque levaria a uma comunicação sem fio mais rápida e a maior processamento de velocidade para dispositivos como smartphones e laptops. Porém, uma série de desafios têm impedido o desenvolvimento de transistores de nanotubos de carbono – com apenas um átomo de espessura – de alta performance. Consequentemente, o seu desempenho tem ficado muito atrás de semicondutores de arsenieto de gálio e de silício, largamente usados hoje em eletrônicos. Agora, pela primeira vez, engenheiros de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison (EUA) criaram transistores de nanotubos de carbono que superam os de silício. A equipe chegou a um transistor 1,9 vezes melhor do que os atuais. Os resultados foram publicados na revista Science. “Esta conquista tem sido um sonho da nanotecnologia pelos últimos 20 anos”, disse um dos principais autores do estudo, Michael Arnold. “Fazer transistores de nanotubos de carbono melhores do que os transistores de silício é um grande marco. Este avanço no desempenho é um avanço crítico em relação a explorar nanotubos de carbono na lógica, comunicações de alta velocidade e outras tecnologias de eletrônica”. Os novos transistores são particularmente promissores para tecnologias de comunicação sem fio que requerem uma grande quantidade de corrente fluindo através de uma área relativamente pequena. Transistores de nanotubos de carbono devem ser capazes de realizar cinco vezes mais rápido ou usar cinco vezes menos energia do que os transistores de silício, de acordo com a extrapolação feita a partir de medições de nanotubos individuais. Suas dimensões ultrapequenas tornam possível a alteração rápida de um sinal correndo através dele, o que poderia levar a ganhos substanciais na largura de banda de dispositivos de comunicação sem fio. No entanto, os pesquisadores têm tido dificuldade para isolar nanotubos de carbono de impurezas metálicas que agem como fios de cobre e interrompem suas propriedades como semicondutores. A equipe do novo estudo usou polímeros para selecionar somente os nanotubos semicondutores, alcançando uma solução com alta pureza. “Nós identificamos as condições específicas em que você pode se livrar de quase todos os nanotubos metálicos, onde temos menos de 0,01% de nanotubos metálicos”, explicou Arnold. A colocação e o alinhamento dos nanotubos também é difícil de controlar. Para fazer um bom transistor, os nanotubos precisam ser alinhados na ordem certa, com o espaçamento certo. Em 2014, os pesquisadores da mesma universidade superaram esse desafio quando anunciaram uma técnica de automontagem flutuante. Os nanotubos devem fazer contato elétrico com os eletrodos de metal do transistor. Como o polímero que os pesquisadores utilizaram para isolar os nanotubos também funciona como uma camada isolante entre os nanotubos e os eletrodos, a equipa “cozinhou” as matrizes de nanotubos numa estufa de vácuo para remover a camada de isolamento. “Em nossa pesquisa, nós mostramos que podemos, simultaneamente, superar todos os desafios de trabalhar com nanotubos, o que nos permitiu criar esses inovadores transistores que ultrapassam os de silício e de arsenieto de gálio”, concluiu Arnold. Os cientistas compararam o seu transistor de nanotubos de carbono contra um transistor de silício do mesmo tamanho, geometria e corrente de fuga, a fim de fazer uma análise justa. Eles continuam a trabalhar na adaptação do seu dispositivo para coincidir com a geometria usada em transistores de silício, que ficam menores a cada nova geração. Embora os pesquisadores já tenham escalado a tecnologia para chips de menos de três centímetros, eles querem escalar o processo para produção comercial. No geral, é emocionante ter finalmente chegado ao ponto no qual os pesquisadores podem explorar os nanotubos para atingir ganhos de desempenho semelhantes aos de tecnologias atuais. “Houve um monte de propaganda sobre nanotubos de carbono que não se tornou realidade, e azedou as perspectivas de muitas pessoas”, afirma Arnold. “Mas achamos que a empolgação é merecida. Só levou décadas de trabalho para a ciência nos permitir aproveitar de forma eficaz este material”. fonte: phys.org/news/2016-09-carbon-nanotube-transistors-outperform-silicon.amp

SILÍCIO TRANSFORMA GÁS DE EFEITO ESTUFA EM COMBUSTÍVEL

Silício contra mudanças climáticas

A chamada Era do Silício pode se ampliar, e se estender no tempo, de uma forma inesperada. Wei Sun, da Universidade de Toronto, no Canadá, descobriu uma forma de usar o silício para capturar a luz do Sol e transformar as emissões poluentes de CO2 (dióxido de carbono) em precursores para produzir combustíveis líquidos com alto conteúdo energético. A ideia de converter o CO2 em energia não é nova: está em curso uma corrida mundial para descobrir um material que consiga converter a luz solar, dióxido de carbono e água ou hidrogênio em combustível. No entanto, a estabilidade química do CO2 está dificultando encontrar uma solução prática e eficiente. Sun descobriu uma abordagem interessante usando o silício, que é abundante e barato - o silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre.

Refinaria solar

O pesquisador desenvolveu nanocristais de silício cuja extremidade possui um composto hidreto. Esses hidretos nanoestruturados de silício têm um diâmetro médio de 3,5 nanômetros, o que lhes dá uma área superficial enorme, que é utilizada para absorver os raios do Sol na faixa do infravermelho próximo, luz visível e ultravioleta. A grande vantagem é que eles não se desgastam facilmente. Em conjunto com um agente de redução química colocado na superfície do material, o sistema converte de forma eficiente e seletiva o dióxido de carbono gasoso em monóxido de carbono. Outras equipes já demonstraram a viabilidade da conversão do monóxido de carbono e do hidrogênio em combustível para aviões. A equipe agora vai trabalhar na otimização do processo e no seu escalonamento, com vistas à construção do projeto-piloto de uma "refinaria solar". Bibliografia: Heterogeneous reduction of carbon dioxide by hydride-terminated silicon nanocrystals. Wei Sun, Chenxi Qian, Le He, Kulbir Kaur Ghuman, Annabelle P. Y. Wong, Jia Jia, Abdinoor A. Jelle, Paul G. O’Brien, Laura M. Reyes, Thomas E. Wood, Amr S. Helmy, Charles A. Mims, Chandra Veer Singh, Geoffrey A. Ozin. Nature Communications. Vol.: 7: 12553. DOI: 10.1038/ncomms12553. fonte: inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=refinaria-solar-silicio-transforma-co2-combustivel&id=010125160905

TRANSISTORES DE CARBONO SUPERAM OS DE SILÍCIO PELA PRIMEIRA VEZ

Pela primeira vez, cientistas conseguiram criar transistores usando nanotubos de carbono que tiveram melhor performance que os transistores de silício. Segundo os pesquisadores da University of Wisconsin-Madison, esse material deve levar à criação de processadores e antenas até 5 vezes mais rápidas ou eficientes que suas equivalentes de silício. Os cientistas desenvolveram um método para depurar os nanotubos, eliminando interferências, e montá-los sobre os eletrodos metálicos de transistores em um suporte. Esse processo é semelhante ao da montagem de um processador.

Eliminando obstáculos

Já faz bastante tempo que os nanotubos de carbono são estudados como alternativa para o silício em processadores. Esses nanotubos são estruturas cilíndricas cujas paredes são feitas de carbono e têm a espessura de apenas um átomo. Por conta dessa característica, eles conduzem eletricidade muito melhor que o silício, e já foram usados para criar baterias, melhorar células solares e deixar materiais invisíveis. Um dos desafios superados pelos cientistas foi o de selecionar nanotubos de carbono de alta pureza. Nanotubos com pequenas impurezas metálicas não podem ser usados na criação de transistores, já que elas atrapalham as propriedades semicondutivas do material. Usando polímeros, os pesquisadores encontraram condições nas quais é possível isolar os nanotubos sem resíduos, deixando menos de 0,01% dos nanotubos impuros. Esse mesmo polímero também serve de isolante entre os nanotubos e os eletrodos metálicos. Após utilizá-lo para “purificar” os nanotubos, os pesquisadores usaram-no para alinhar o material na posição correta e, em seguida, levaram o conjunto para um forno a vácuo a fim de eliminar o polímero. Com isso, o alinhamento e a pureza dos transistores com nanotubos ficou muito melhor.

Ganhos de performance

Comparando o transistor de carbono com um transistor de silício de mesmo tamanho e geometria, os pesquisadores conseguiram passar 1,9 vezes mais corrente pelo de carbono. No futuro, eles acreditam que essa tecnologia permitirá a criação de transistores 5 vezes mais rápidos e eficientes, que os atuais de mesmo tamanho. Isso permitiria a criação de processadores mais ágeis e com menor consumo de energia, o que, por sua vez, levaria a um aumento na duração da bateria de dispositivos portáteis. Além disso, as dimensões microscópicas dos nanotubos também permitem mudar rapidamente um sinal de corrente que viaja por eles, o que permitiria uma melhoria na largura de banda de dispositivos que usam redes sem fio. No entanto, os pesquisadores ainda precisam encontrar maneiras de adaptar seu processo à geometria de transistores convencionais e de possibilitar a produção em larga escala dos novos transistores, segundo o Engadget. Por isso, essas novidades ainda estão a alguns anos de distância. Além de todas essas vantagens, os nanotubos de carbono também seriam capazes de salvar a Lei de Moore. Com mais de 50 anos, a lei que dita o ritmo da evolução da indústria de chips já começa a dar claros sinais de desgaste. fonte: megaarquivo.com/2016/09/06/12-787-transistores-de-carbono-superam-os-de-silicio-pela-primeira-vez/

ENGENHEIROS CONSTROEM UMA PORTA LÓGICA QUÂNTICA EM SILÍCIO PELA 1° VEZ

Impressão artística do dispositivo de porta lógica de 2 qubits. Um avanço significativo para a computação quântica foi feito por uma equipe da Universidade de New South Wales, em Sydney, na Austrália: eles criaram uma porta lógica quântica em silício, o mesmo material que chips de computadores tradicionais usam. “O que temos é uma virada de jogo”, disse um dos pesquisadores, Andrew Dzurak. Um requisito fundamental para computadores quânticos é que dois bits quânticos (ou qubits) se comuniquem e realizem cálculos juntos. Por enquanto, os cientistas só tinham alcançado esse objetivo usando dispositivos que contavam com tecnologias exóticas. No novo estudo, os pesquisadores criaram um dispositivo eficiente usando essencialmente a mesma tecnologia de computadores existentes, o que facilitará muito a fabricação de um processador em larga escala. “Isso torna a construção de um computador quântico muito mais viável”, explica Dzurak.

Os qubits

O avanço representa o componente físico final para cumprir a promessa de computadores quânticos superpoderosos baseados em silício. Em computadores clássicos, os dados são processados como bits binários, que estão sempre em um de dois estados: 0 ou 1. No entanto, um qubit pode existir em ambos os estados ao mesmo tempo, uma condição conhecida como superposição. Uma operação qubit explora esta estranheza quântica, permitindo que muitos cálculos sejam executados em paralelo (um sistema de dois qubits executa a operação em 4 valores, um sistema de três qubit em 8, e assim por diante). Em outras palavras, para os computadores quânticos se tornarem uma realidade, a habilidade de conduzir cálculos com um e dois qubits é essencial. Até agora, não tinha sido possível fazer dois bits quânticos “falarem” um com o outro – e, assim, criar uma porta lógica – usando silício.

A vantagem

O desafio na construção de portas lógicas quânticas é o fato de que, para que dois qubits “conversem”, eles precisam estar incrivelmente próximos – geralmente dentro de 20 a 40 nanômetros um do outro -, o que dificulta seu controle. A equipe superou esse obstáculo copiando a configuração dos chips tradicionais. Neles, bits binários são definidos por dispositivos semicondutores minúsculos conhecidos como transistores. Cerca de um bilhão desses transistores estão presentes em cada chip de silício em seu smartphone ou computador, por exemplo. Bits quânticos, por outro lado, são definidos pela rotação de um único elétron. Ao reconfigurar os transistores tradicionais para se associarem apenas com um elétron, a equipe de pesquisa foi capaz de fazê-los definir qubits. “Em seguida, armazenamos o código binário de 0 ou 1 no ‘spin’ do elétron, que está associado com o campo magnético minúsculo da partícula”, disse o Dr. Menno Veldhorst, principal autor da pesquisa, publicada na revista Nature. O resultado alcançado significa que todos os componentes físicos para um computador quântico baseado em silício já foram construídos com sucesso, permitindo que os engenheiros finalmente comecem a tarefa de projetar um computador quântico funcional. O próximo passo do projeto é identificar os melhores parceiros na indústria para trabalhar em conjunto com os pesquisadores, a fim de fabricar processadores quânticos em grande escala. Tais processadores teriam grandes aplicações nos setores de finanças, segurança e saúde, permitindo coisas como a identificação e desenvolvimento de novos medicamentos (ao analisar compostos farmacêuticos e minimizar testes de tentativa e erro), o desenvolvimento de novos materiais mais leves e resistentes (como produtos eletrônicos para aeronaves) e buscas mais rápidas através de grandes bancos de dados. fontes:http://phys.org/news/2015-10-crucial-hurdle-quantum.html//sciencealert.com/australian-engineers-have-put-quantum-technology-in-a-silicon-chip-for-the-first-time

TRANSISTOR DE LUZ USA UMA ÚNICA NANOPARTÍCULA DE SILÍCIO

Ilustração de uma nanopartícula de silício chaveando entre os modos ópticos de acordo com a intensidade do pulso de laser de controle.

Nanotransístor

Há poucos dias, uma equipe de engenheiros alemães e britânicos apresentou o primeiro chip de memória óptica permanente, no qual a gravação e a leitura são feitas inteiramente com luz. Agora, uma equipe russa demonstrou que é possível fabricar transistores acionados com luz usando nanopartículas de silício. Além de ser baseada na luz - o que é muito mais rápido e consome muito menos energia - a nova abordagem rompe com o esquema tradicional de miniaturização, que vai "descendo uma escada" em termos de tamanho dos transistores (estamos chegando à casa dos 7 nanômetros), e dá um mergulho em direção a partículas que podem chegar a ter poucos átomos de diâmetro. "Nós controlamos não as propriedades de absorção da nanopartícula, mas sim o seu diagrama de dispersão [óptica]. Explicando, a nanopartícula normalmente dispersa quase toda a luz que incide sobre ela no sentido inverso, para trás; mas, quando a irradiamos com um pulso de laser de controle, ela se reconfigura e começa a dispersar a luz para a frente," explica o professor Sergey Makarov, da Universidade ITMO. Usar um laser de controle para fazer a nanopartícula de silício mandar a luz numa direção ou noutra é uma versão óptica do mecanismo no qual um transístor usa uma corrente de controle para decidir se a eletricidade que transporta os dados vai numa direção ou noutra - ou seja, a nanopartícula funciona como um transístor de luz.

Transistor de luz

O mecanismo é possível porque o pulso de luz de controle, que é extremamente curto, na casa dos picossegundos, altera temporariamente a permissividade elétrica do silício, recombinando seu equilíbrio de elétrons (negativos) e lacunas (positivas), o que resulta na alteração abrupta das propriedades ópticas da nanopartícula. O resultado é uma alteração na direção da reflexão da luz em uma escala de tempo na faixa dos picossegundos, o que é pelo menos 1.000 vezes mais rápido do que o chaveamento dos transistores elétricos atuais. "O tempo que leva para desativar nossas nanopartículas fica na casa de apenas alguns picossegundos, enquanto para ativá-la precisamos de não mais do que dezenas de femtossegundos. Agora já temos dados experimentais que indicam claramente que uma única nanopartícula de silício pode de fato desempenhar o papel de um transístor totalmente óptico. Agora estamos planejando realizar novos experimentos, onde, juntamente com o feixe de laser de controle, nós vamos introduzir um feixe de sinal útil," contou Pavel Belov, membro da equipe. Bibliografia: Tuning of Magnetic Optical Response in a Dielectric Nanoparticle by Ultrafast Photoexcitation of Dense Electron–Hole Plasma Sergey Makarov, Sergey Kudryashov, Ivan Mukhin, Alexey Mozharov, Valentin Milichko, Alexander Krasnok, Pavel Belov Nano Letters Vol.: 15 (9), pp 6187-6192 DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02534 FONTE: inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-de-luz-nanoparticula-silicio&id=010110151001

DESCOBERTO NOVO TIPO DE SILÍCIO

A estrutura porosa do Si24 permite que átomos de sódio (amarelo), lítio (verde) e até moléculas de água se difundam pelo material, abrindo a possibilidade de aplicações em armazenamento de energia e filtragem em escala molecular.

Banda proibida

O silício é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre - o primeiro é o oxigênio - e está para a tecnologia assim como o carbono está para a biologia. Assim, não deixa de ser surpreendente que Duck Young Kim e seus colegas da Instituição Carnegie, nos Estados Unidos, tenham conseguido sintetizar uma forma inteiramente nova de silício. O silício que eles criaram é um chamado alótropo, uma forma física diferente de um mesmo elemento, da mesma maneira que o diamante e o grafite são duas formas alotrópicas do carbono. O novo alótropo do silício, chamado Silício-24 (Si24), possui uma interessante estrutura porosa, similar à das zeólitas, composta por canais com cinco, seis e oito anéis de silício. O grande diferencial do Si24 é que ele possui um hiato de energia (bandgap) mais direto do que o silício comum. Essa bandgap, ou banda proibida, é a energia necessária para que o semicondutor transicione de isolante a condutor. O silício normal possui uma banda proibida indireta, o que impede que ele naturalmente absorva ou emita luz. Isto tem feito com que componentes para aplicações futuras - LEDs, células solares e transistores de alto desempenho, além de componentes para processadores fotônicos - estejam sendo desenvolvidos com outros materiais, a maioria mais exóticos e mais caros. Já existem técnicas para fazer o silício emitir luz, mas usando uma mesclagem com outros materiais.

Materiais energéticos

O novo tipo de silício é estável a temperatura e pressão ambiente, o que abre a possibilidade de sua produção em larga escala. O Si24 possui uma banda proibida "quase-direta", o que significa que ele opera na faixa necessária para a absorção da luz solar, além de potencialmente poder emitir luz. O novo silício é estável a pressão ambiente até pelo menos 450 graus Celsius. O próximo passo será testar experimentalmente o novo silício para verificar se suas potencialidades se transformam em dispositivos práticos e eficientes. A equipe que sintetizou o material, contudo, está mais entusiasmada com seu próprio método de síntese, que poderá ser aplicado para desenvolver outros materiais com propriedades interessantes. "A síntese de alta pressão representa uma fronteira inteiramente nova em novos materiais energéticos," disse o professor Timothy Strobel. "Nós demonstramos propriedades até então desconhecidas para o silício, mas a nossa metodologia é facilmente extensível a classes de materiais inteiramente diferentes. Estas novas estruturas mantêm-se estáveis a pressão atmosférica, de forma que estratégias de escalonamento para volume maiores são inteiramente possíveis." Bibliografia: Synthesis of an open-framework allotrope of silicon. Duck Young Kim, Stevce Stefanoski, Oleksandr O. Kurakevych, Timothy A. Strobel. Nature Materials. Vol.: Published online. DOI: 10.1038/nmat4140. fonte: inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=descoberto-novo-tipo-silicio&id=010110141118

NANOFIOS DE SILÍCIO AMPLIAM CAPACIDADE DOS PROCESSADORES

Em cima, o transístor 3D. Embaixo, os nanofios em duas escalas de ampliação. Miniaturização Depois de apresentar, no ano passado, o primeiro transístor 3D fabricado no Brasil, pesquisadores brasileiros avançam no domínio das técnicas de fabricação dos nanofios tridimensionais de silício, as minúsculas estruturas por onde flui a eletricidade no interior dos atuais componentes eletrônicos. Os transistores 3D são uma das principais apostas para que se possa manter o ritmo atual de miniaturização e de melhoria de desempenho dos processadores, presentes não apenas nos computadores, mas também nos telefones celulares, automóveis, equipamentos de diagnóstico médico e no controle de processos industriais. Se um único chip de computador pode conter bilhões de transistores, um só transístor pode abrigar milhares de nanofios, que são os "canos" por onde passa a eletricidade. Foi nesse campo de dimensões ainda mais reduzidas que novos avanços foram obtidos pela equipe do Centro de Componentes Semicondutores (CCS) e da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas). Fabricação de nanofios Marcos Vinícius Puydinger e José Alexandre Diniz fabricaram transistores 3D com 35 nanômetros, formados por até 1.280 nanofios. Para isso, Marcos comparou dois processos para a produção dos transistores, envolvendo diferentes equipamentos e métodos. O primeiro é o Feixe de Íons Focalizados, conhecido pela sigla FIB (Focused Ion Beam), que dispara íons de gálio sobre a superfície de silício, esculpindo-a em escala nanométrica e, quando necessário, depositando outros materiais sobre o silício, tais como platina ou o isolante óxido de silício. O outro processo, a Litografia de Feixe de Elétrons, ou EBL (Electron Beam Litography), vale-se das partículas subatômicas para desenhar um gabarito que depois é usado, em outros equipamentos, como molde para a criação dos transistores. Ambas as técnicas representam um avanço em relação ao primeiro transístor 3D feito no Brasil. "Cada técnica tem suas peculiaridades e desafios", disse Marcos. "A ideia foi explorar as técnicas e fazer algo inovador para o Brasil".

Recentemente se demonstrou que nanofios que passam de isolantes a condutores batem o silício em termos de desempenho. Protótipos Os transistores produzidos pelo FIB levaram dois dias para serem feitos, com um custo unitário de US$ 4 mil (mais de R$ 8 mil) por dispositivo. Já os obtidos por meio da litografia de elétrons consumiram dez dias de trabalho, mas a um custo unitário de US$ 150, ou pouco mais de R$ 300. É importante notar que esses valores são para componentes experimentais, feitos um a um - produções industriais alcançariam valores muitíssimo menores, e a proporção pode indicar como os investimentos devem ser feitos. Infelizmente, é improvável que a indústria brasileira adote as tecnologias testadas pelo grupo. "A indústria nacional não está nessa fase, nem temos fábricas para isso," afirmou o professor José Alexandre. "Há uma tendência mundial de a indústria se deslocar para onde a mão de obra é mais barata. Mas temos de obter a tecnologia, alguém no Brasil tem de ser capaz de fazer isso." "A arquitetura de transistores (...) baseada em nanofios tem-se tornado essencial para sustentar a Lei do Moore e permitir a evolução da indústria nanoeletrônica", comenta Marcos. "O desenvolvimento e emprego desses transistores têm sido exigências fundamentais para a moderna indústria microeletrônica." Os nanofios têm sido usados não apenas nos processadores, mas também em outros componentes, como as células solares. Mais recentemente, algumas equipes começaram a lidar com os sub-nanofios. FONTE:INOVACAOTECNOLOGICA