A era do Carbono

Adeus silício, bem-vindo carbono (parte 1)

Fonte: http://blogs.forumpcs.com.br/cat/2010/04/19/adeus-silicio-bem-vindo-carbono/

Postado as 05:25 - 19/04/2010 - Por Carlos Alberto Teixeira. Categorias: Computadores, Processadores, Servidores.

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Aqui está ele, o silício, fundamento da indústria eletrônica digital tal como a conhecemos hoje. Sua hegemonia nesse setor, porém, parece estar com seus dias contados.

Quase toda essa fascinante tecnologia eletrônica e computacional que nos cerca baseia-se num elemento químico tão abundante na Natureza que mal nos damos conta de sua importância — o silício. Foi descoberto em 1787 por Lavoisier como componente da pedra sílex, aquela que o homem das cavernas usava para produzir fogo, esfregando uma na outra e produzindo fagulhas que incendiavam galhos e capim secos.
Silício é do que é feita a areia, e é usado também para fabricar vidro. Este elemento, aliás, tem sido o grande vilão da aviação comercial na Europa nos últimos dias, pois é o principal constituinte da poeira expelida pelo vulcão islandês Eyjafjallajökull (nome medonho que, segundo um amigo meu islandês, pronuncia-se “êia-fiátla-iêkutl”), cujo silício pode entrar nas turbinas de uma aeronave, derreter e destruir os mecanismos, depositando no metal uma fina camada parecida com vidro.
No caso da eletrônica, a principal aplicação do silício é na fabricação de semicondutor es, materiais que têm um comportamento entre o condutor e o isolante. Para produzi-los, pega-se o silício puro e introduz-se nele átomos de impurezas, num processo conhecido como ” dopagem “. Esses átomos intrusos podem ser de elementos como arsênio, boro, fósforo e gálio, entre outros.
Esse controle sobre a condutividade do silício dopado é necessário para produzir componentes de suma importância na indústria eletrônica, tais como transistores, circuitos integrados, células solares, microprocessadores e outras peças de alta tecnologia. Um ramo tecnológico chamado “fotônica de silício”, por exemplo, dedica-se a produzir guias de onda capazes de conduzir luz coerente ao longo de circuitos — um processo denominado ” laser Raman “. Outra aplicação do silício é em sua forma hidrogenada amorfa (sem forma), na produção de aplicações eletrônicas de baixo custo e grande área, como telas LCD e células solares de filme fino.

Estrutura do silício hidrogenado amorfo.

O que vemos, então, na atualidade, é que o silício é o rei da cocada preta , quando o assunto é eletrônica digital. Contudo, correndo por fora, vem despontando um outro elemento químico que é uma grande promessa como substituto do silício nesse campo — o carbono. Mas, espera aí. Para quê precisamos de um substituto? Resposta: estamos chegando perto do limite físico do silício, que cada vez mais estamos forçando com a miniaturização dos circuitos, o afinamento das trilhas condutoras dentro dos chips e a demanda por menor consumo elétrico. Em suma, nossa ganância tecnológica está aos poucos aposentando o bom e velho silício.

E este é o carbono, apresentado aqui em uma de suas estruturas mais comumente encontradas na Natureza — o grafite.

Segundo artigo de R. Colin Johnson, da “EETimes”, o carbono — base de todos os compostos químicos orgânicos — parece destinado a suplantar o silício como material escolhido para fabricar semicondutores no futuro. Esse elemento, que fica logo acima do silício na tabela periódica dos elementos, será a base de várias estruturas que podem o silício em termos de desempenho térmico, alcance de frequências e talvez até em supercondutividade. As perspectivas que se abrem com o uso do carbono na indústria eletrônica são formidáveis e, aliás, há cerca de dois anos, já escrevi um pouco sobre o tema aqui no Fórum PCs.
Dentre as tecnologias do carbono, as do diamante são provavelmente as mais próximas de entrar no mercado no presente momento, considerando que os trabalhos científicos e experimentais com diamantes nessa área já estão acontecendo há mais de 15 anos. Para quem não se lembra, o diamante é feito de átomos carbono arranjados em uma estrutura cúbica muito sólida, que lhe confere o título de material mais duro da Natureza. As outras estruturas atômicas envolvendo carbono ainda estão muito atrás do diamante em termos de proximidade de comercialização em aplicações tecnológicas. Mas, que outras estruturas são essas?

Este é um corte circular realizado em uma camada de diamante produzida por CVD (Chemical Vapor Deposition = deposição química a vapor) com 500 micra de espessura.

Eis aqui uma única placa de CVD de diamante, produzida nos laboratórios da Universidade de Uppsala, na Suécia.

Vamos pensar matematicamente em termos de dimensões. Dimensão “zero” equivale a um ponto; dimensão “um” é uma linha; dimensão “dois” corresponde a uma superfície, uma área; e dimensão “três” representa um volume. Portanto, na família das estruturas carbônicas, temos o carbono tridimensional simbolizado pelo diamante, uma estrutura com volume e que oferece dez vezes mais dissipação de calor do que o silício. Fornecedores experimentais atualmente conseguem produzir finas camadas (chamadas “filmes”) de 40 nanômetros a 15 micra de diamante por sobre waffers de silício.

Ilustração da estrutura de um diamante, uma rede volumétrica compacta, duríssima e bem amarrada.

Essa estrutura é a do grafite, composta dos mesmos átomos que o diamante, mas disposta em camadas que escorregam umas sobre as outras, daí o pó de grafite ser usado às vezes como lubrificante.

Descendo uma dimensão, temos as superfícies bidimensionais em monocamada com espessura de 3 angstrom chamadas grafeno, capazes de permitir que os elétrons se movimentem nela dez vezes mais rápido do que no silício, ultrapassando a barreira do velho material e permitindo desempenhos da ordem de Terahertz.

Uma sonda do NIST (National Institute of Standards and Technology) escaneia e mapeia os contornos atômicos do grafeno por meio da aplicação de um campo magnético que faz com que seus elétrons se organizem em órbitas de ciclotron, ou seja, quase circulares. (Fonte “EETimes”)

Baixando mais uma dimensão, temos os nanotubos de carbono, com 1 nanômetro de diâmetro, capazes de suplantar as barreiras de velocidade impostas pelo silício. Esses nanotubos aparecerão primeiramente no mercado como “tintas” imprimíveis, que permitirão velocidades dez vezes superiores às dos transistores orgânicos cujos protótipos já estão em operação.

Geometria de nanotubos

Imagem colorida de nanotubos

Nanotubos carbônicos logo após sua geração

E, caindo para a dimensão zero — o ponto — temos as esferas carbônicas com 60 átomos desse elemento, e que são chamadas fulerenos. Elas podem significar a resposta à incapacidade do silício em atingir supercondutividade em altas temperaturas. Apenas lembrando, supercondutividade é quando um elemento apresenta resistência zero à passagem de corrente elétrica. Amostras compactadas de fulerenos intercalados com átomos de metais alcalinos apresentam supercondutividade a 38º Kelvin, o que equivale a-235,15º C.
Nesse ponto, o leitor achará estranho considerar 38º Kelvin uma alta temperatura. Acontece que esse conceito é muito relativo, quando se trata de supercondutividade. Qualquer coisa mais quente do que 30º K já é tida como alta temperatura sob essa ótica, especialmente se tal medida se aproximar dos 77º K, que é temperatura do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, material relativamente barato de se obter.

Fibra de alto desempenho de nanotubos de carbono com dupla-parede após auto-colapso, em experimento realizado pelo departamento de ciência dos materiais e metalurgia da Universidade de Cambridge, na Inglaterra.

Mas independentemente de frio ou quente, o que nós presenciaremos nos próximos anos será que as tecnologias de processamento de carbono se tornarão mais economicamente viáveis e substituirão quase todos os materiais empregados na fabricação de circuitos hoje em dia — condutores para interligar dispositivos; semicondutores; e isolantes. Só não se pode precisar em quanto tempo exatamente chegaremos a esse ponto, especialmente numa economia mundial sujeita (como sempre será) às flutuações causadas por catástrofes financeiras que vêm pipocando aqui e ali.
Empresas de tecnologia de ponta estão unindo esforços nessa área. Foi o que aconteceu em 2008 com a Nantero e a SVTC , que firmaram parceria para oferecer o primeiro serviço de forja para desenvolvimento de filmes finos de nanotubos de carbono.Quem está gostando muito disso são os fabricantes de chips, que pretendem integrar filmes de nanotubos em interconexões de alto desempenho em circuitos CMOS comerciais. As aplicações incluem células solares, LEDs, sensores, MEMS e outros dispositivos baseados em semicondutores. O problema é que o consórcio de empresas ainda está tendo dificuldades em encontrar clientes que queiram comercializar os dispositivos fabricados com essa técnica.
Para termos uma referência, tendo em vista a integração de dispositivos dentro de chips CMOS abaixo de 22 nanômetros, por exemplo, ainda faltam cerca de cinco anos antes que os pioneiros do mercado consigam comercializar nanotubos de carbono à altura. Se bem que esse material já está sendo produzido em massa por empresas especializadas como a DuPont, e já apareceram no mercado como camadas depositadas em substratos de plástico flexível por gigantes de indústria, como a NEC.

Diamantes podem ser duros, mas agregados amorfos de fulereno são ainda mais. Uma medida chamada “módulo de compressibilidade isotérmica” tem o valor de 442 GPa (Gigapascals) para o diamante, e de 491 Gpa para o fulereno amorfo. O problema é que fulerenos não são encontrados originalmente na Natureza e produzi-los ainda é caro. No entanto, depois da “Idade do Diamante” na eletrônica, certamente veremos surgir a “Idade dos Fulerenos”, quando estes dominarão a ciência dos materiais. Mas isso será coisa para nossos filhos ou talvez netos verem, não nós.

Outras empresas vêm adotando estratégicas de produção diferentes, como é o caso da Nanocomp , que está aplicando nanotubos em folhas de carbono que podem ser usadas para detectar rachaduras e outras falhas estruturais em materiais críticos. A empresa também desenvolve fios e cabos de nanotubos que são comparáveis aos feitos de cobre em termos de condutividade elétrica, com a vantagem de serem 80% mais leves.
Na semana que vem continuarei no tema, apresentando os novos e promissores horizontes que se abrem com essa formidável tecnologia que decerto revolucionará o desempenho dos dispositivos eletrônicos em breve.