Uma nova técnica para estudar defeitos em materiais semicondutores pode levar a uma melhor velocidade, potaªncia e desempenho de dispositivos eletra´nicos, revelando as limitações denívelata´mico de materiais avana§ados.

Desenvolvida por uma equipe de pesquisadores liderada pela Penn State e liderada pelo ex-aluno de pós-graduação da Penn State James Ashton, a ferramenta anala­tica faz uso de campos magnanãticos extremamente pequenos e frequências muito menores do que as normalmente usadas em tais medições para detectar e medir imperfeições em novos materiais , fornecendo informações estruturais sobre as interações magnanãticas entre elanãtrons e núcleos magnanãticos pra³ximos de uma forma mais simples do que era possí­vel anteriormente.

A abordagem foi publicada como um artigo de capa na Applied Physics Letters . De acordo com Patrick Lenahan, distinto professor de ciências de engenharia e meca¢nica da Penn State e orientador da tese de doutorado de Ashton, a ferramenta permite que os pesquisadores deem um grande passo para resolver uma variedade de falhas em dispositivos de última geração.

Os pesquisadores se concentraram em transistores de efeito de campo semicondutores de a³xido meta¡lico (MOSFETs), que são encontrados em quase todos os dispositivos com circuitos integrados, de telefones celulares a computadores. Anteriormente projetados com sila­cio e dia³xido de sila­cio , os MOSFETs agora podem ser fabricados com outros materiais, incluindo carboneto de sila­cio como material semicondutor. Lenahan apontou que o material relativamente novo tem vantagens substanciais para altas temperaturas e aplicações de alta potaªncia. No entanto, ele explicou, os MOSFETs de carboneto de sila­cio são limitados por defeitos de escala atômica que os pesquisadores não conseguiram entender completamente.

"A presença de um defeito sutil, como um local de a¡tomo ausente para cada, digamos, 5.000 a¡tomos na fronteira entre o carboneto de sila­cio e o a³xido de porta MOSFET, serásuficiente para arruinar qualquer dispositivo", disse Lenahan. “Então, precisa¡vamos de uma maneira de olhar para o sutil desvio da perfeição, para entender o que estãolimitando o desempenho desses dispositivos”.

Para detectar tais desvios, pesquisadores usam ressonância magnanãtica—semelhante a  tecnologia que os médicos usam para visualizar anormalidades de tecidos moles no corpo humano—para excitar elanãtrons em SiC MOSFETs. Essas medições podem fornecer informações detalhadas sobre as imperfeições do material, particularmente onde os elanãtrons interagem com imperfeições de escala atômica, como locais de a¡tomos ausentes. Tradicionalmente, essa técnica exigia um campo magnético alto e tinha uma sensibilidade de cerca de 10 bilhaµes de defeitos osmuito mais defeitos do que os presentes nos pequenos dispositivos SiC. Recentemente, no entanto, uma nova iteração da técnica, chamada ressonância magnanãtica detectada eletricamente, surgiu, para a qual o tamanho do campo éirrelevante para a sensibilidade e um número muito menor de defeitos limitantes do dispositivo pode ser detectado diretamente durante a operação elanãtrica, de acordo com Lenahan.

"O fato de que vocêpode fazer ressonância magnanãtica extremamentesensívelfuncionar com campos magnanãticos extremamente pequenos éuma área que basicamente não éinvestigada", disse Lenahan. "Tea³ricos escreveram artigos perguntando: 'Suponha que vocêpudesse fazer tal medição - o que vocêpoderia descobrir?' E acontece que existe um caminho, que éo que demonstramos aqui com nossa nova ferramenta anala­tica."

Lenahan, Ashton e sua equipe aplicaram ressonância magnanãtica detectada eletricamente para medir os efeitos do spin em interações em escala atômica capturadas em uma imperfeição em um dispositivo usando campos magnanãticos extraordinariamente pequenos.

Spin descreve uma caracterí­stica fundamental departículas, como elanãtrons, pra³tons e naªutrons. Todos os elanãtrons, incluindo aqueles capturados nas imperfeições nos MOSFETs, tem spin, e os núcleos dos a¡tomos que os cercam também podem ter seu pra³prio spin. A ressonância magnanãtica eletricamente detectada pode medir as "interações hiperfinas", que são as interações magnanãticas entre o elanãtron e os spins nucleares. Observar essas interações pode revelar detalhes estruturais e químicos sobre esses defeitos.

"As pessoas estãointeressadas em interações hiperfinas elanãtron-nucleares hámais de 60 anos, e essa ferramenta fornece uma nova maneira de observar essas interações em amostras muito pequenas com uma medição elanãtrica", disse Lenahan. "Estamos analisando amostras de nana´metros por ma­cron por ma­cron - amostras que são bilhaµes de vezes menores do que vocêpoderia investigar com técnicas de ressonância mais convencionais - para que possamos realmente entender em umnívelata´mico o que limita o desempenho de a partir desse entendimento, podemos sugerir como as pessoas em laboratórios de pesquisa e desenvolvimento industrial podem tentar fazer com que os dispositivos funcionem melhor."

De acordo com Stephen Moxim, coautor da publicação e estudante de doutorado em engenharia e engenharia da Penn State, os resultados também se relacionam com a física de spin mais fundamental.

"Quando o elanãtron gira dentro dos centros de defeito 'vira', ou muda seu estado de rotação, em um experimento de ressonância magnanãtica, eles eventualmente relaxam de volta ao seu estado de rotação original", disse ele. "Entre outras coisas, os resultados aqui mostram como esse processo de relaxamento estãorelacionado ao ambiente em que os defeitos existem. Especificamente, eles nos da£o uma ideia de como os núcleos magnanãticos localizados perto dos elanãtrons do defeito afetam o processo de relaxamento."

De acordo com Moxim, essa abordagem, construa­da em uma ferramenta de medição de corrente elanãtrica direta relativamente simples, poderia potencialmente se traduzir no campo da computação qua¢ntica.

"a‰ sempre incra­vel quando vocêvaª a interseção da física tea³rica e da engenharia prática ", disse Fedor Sharov, coautor e estudante de doutorado em engenharia e meca¢nica da Penn State. “Ideias e teorias de décadas atrás estãoencontrando um lar perfeito em uma nova técnica que, no passado recente, os teóricos podem nem ter considerado”.