Grande parte da evolução tecnológica de equipamentos eletrônicos e de computação se deve às propriedades do silício, um dos elementos mais utilizados para a fabricação de dispositivos semicondutores, como chips e transistores. Entretanto, conforme as aplicações se aproximam das fronteiras tecnológicas, alguns limites começam a surgir no uso convencional do silício. Um deles está relacionado à necessidade de controlar melhor as propriedades elétricas e mecânicas dos dispositivos à medida que suas dimensões diminuem.
Outra limitação está nas propriedades ópticas do silício, já que o material é pouco eficiente para a emissão de luz, o que restringe seu uso em determinadas aplicações optoeletrônicas. Por isso, em alguns casos é preciso recorrer a outros materiais, como o arseneto de gálio, o niobato de lítio e o dissulfeto de molibdênio. Porém, trata-se de compostos de difícil purificação, cuja exploração e comercialização são significativamente mais caras.
Frente a essa realidade, pesquisadores da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (Feec) da Unicamp trabalham para ampliar os usos do silício em aplicações nanotecnológicas. Eles produzem nanofios de silício invisíveis, com cerca de 15 nm (nanômetros) de espessura – para efeito de comparação, um fio de cabelo humano costuma ter de 80 mil a 100 mil nm (cerca de 6.000 vezes mais grosso que o nanofio) –, e os submetem a tensões mecânicas bem mais elevadas do que as indústrias de chips e transistores praticam, verificando eventuais alterações das suas propriedades, especialmente sua resistência elétrica. O resultado pode beneficiar a fabricação de semicondutores que dependem de alta sensibilidade, como sensores de força ou pressão.
Os pesquisadores obtiveram resultados positivos com nanofios que suportam tensões mecânicas muito altas — na ordem de 2,9 GPa (gigapascals), o equivalente a 28,6 mil vezes a pressão atmosférica — e conseguiram simular geometrias para fios que suportam ainda mais pressão. Além disso, observaram que, sob alta tensão mecânica, os nanofios de silício passam a interagir melhor com a luz, abrindo espaço para o uso do material pela fotônica (área que estuda e desenvolve tecnologias baseadas na luz). O projeto integra as iniciativas do Instituto Nacional de Ciências e Tecnologia Nano e Microeletrônica para Tecnologias Habilitadoras (INCT-Namitec) e é coordenado pelo professor Marcos Vinicius Puydinger dos Santos.
Arranjo atômico
A chave para compreender a inovação proposta pelo grupo está no conceito de piezorresistência, que consiste na variação da resistência elétrica de um material ao ser submetido a uma tensão mecânica, ou seja, ao sofrer uma deformação, como ser puxado ou espremido. Essa propriedade é útil para a produção de sensores e outros dispositivos, já que, a partir de uma mudança na resistência apresentada, é possível inferir o tensionamento ao qual o material foi submetido. No caso dos semicondutores, a piezorresistência é observada em uma escala muito pequena. “Quando tensionamos o silício, seu arranjo atômico muda. O espaço entre os átomos se altera e isso faz com que os elétrons sintam uma resistência diferente”, explica o professor.
Por se tratar de um efeito concentrado em um volume muito pequeno do material, o aumento na variação da resistência observado pelos pesquisadores é muito maior do que o convencional. “Os efeitos quânticos [fenômenos físicos que ocorrem em escalas atômica e subatômica] da piezorresistência ainda não estão bem estabelecidos pela literatura da área”, comenta Pedro Pessoa, doutorando ligado ao projeto. Assim, o estudo busca elucidar as razões deste efeito, ampliando as aplicações do silício nessas tecnologias. “Diversos artigos colocam a piezorresistência gigante do silício como um ‘efeito anômalo’. Não é algo previsto; surgiu de forma inesperada”, pontua Kung Shao Chi, doutorando do grupo.
Os nanofios foram produzidos a partir de lâminas compostas por uma camada de silício, outra de óxido de silício e um terceiro substrato de silício. Por meio de litografia por feixe de elétrons, os nanofios são marcados nas lâminas e, com uma solução de ácido fluorídrico, o óxido de silício intermediário é retirado, fazendo com que os fios da camada superior fiquem suspensos. É justamente essa suspensão que provoca o tensionamento mecânico e causa a piezorresistência. Nos testes feitos para calcular a tensão atingida pelos nanofios, obtida a partir de uma técnica chamada espectroscopia Raman, foi estimada uma tensão de cerca de 2,9 GPa, quase o triplo da tensão de aproximadamente 1 GPa considerada em aplicações industriais para o silício.
Novas fronteiras
Visando a ampliação dessas possibilidades obtidas de forma experimental, os pesquisadores fizeram simulações computacionais para saber quanta tensão um determinado nanofio pode suportar, dadas as especificidades e dimensões dos materiais utilizados. “Criamos um modelo para, no futuro, podermos inferir a tensão mecânica no nanofio simplesmente por simulação, sem a necessidade de produzi-lo previamente e submetê-lo à espectroscopia Raman”, detalha Puydinger dos Santos. Nesses testes, considerando dimensões otimizadas para os nanofios, a tensão mais do que duplicou, chegando a 8 GPa.
Com base nesses resultados, os pesquisadores esperam contribuir com inovações em diversas fronteiras tecnológicas dos semicondutores. Uma delas é a criação de novos tipos de transistores a partir do silício tensionado, que podem ser úteis para aplicações em tecnologias quânticas. Outro avanço é a observação de que o tensionamento pode favorecer a aplicação do silício em dispositivos de transmissão de dados por meio da luz, como as telecomunicações. “Possivelmente, poderemos substituir por silício os materiais mais caros que são utilizados em fotoemissores, como o germânio”, projeta o coordenador da iniciativa. “Se esse processo se tornar reprodutível e viável comercialmente, poderemos fabricar futuramente LEDs de silício que seriam muito mais baratos.”
UMA VASTIDÃO DE SILÍCIO
Dados da Semi, a associação internacional de indústrias de semicondutores e eletrônicos, mostram que foram enviados ao mercado em 2025 cerca de 8,4 milhões de metros quadrados de wafers de silício — discos feitos de cristal desse material, usados na fabricação de chips —, o equivalente a cerca de 1,2 mil campos de futebol. A demanda foi 5,8% maior que a registrada em 2024, que movimentou US$ 11,4 bilhões no mercado mundial. A estimativa é de que, até 2028, esse comércio chegue a 10 milhões de metros quadrados de wafers, e o impacto disso vai além da economia: o Canadá e a União Europeia, entre outros, já incluíram o silício entre os minerais que consideram como matérias-primas estratégicas.
Matéria: Felipe Mateus | Jornal da Unicamp.
