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A célula solar de silício cristalino (c-Si) de alto desempenho com 20 µm de espessura usa muito menos silício, de longe o componente mais caro de um painel solar. [Imagem: Guanglin Xie et al. - 10.1117/1.JPE.13.035501] Células solares finas de silício A maioria dos painéis solares é feita com uma camada fotoativa de silício cristalino (c-Si) com uma espessura entre 160 e 170 micrômetros (µm). Como o silício sozinho representa quase metade do custo de cada painel solar, tem havido uma corrida pelo desenvolvimento de células solares de silício muito mais finas. Infelizmente, a eficiência de conversão de luz em eletricidade das células solares de c-Si finas ainda está muito atrás da eficiência das células industriais espessas. O problema é que as melhores estratégias de projeto para células finas de c-Si conseguem maximizar apenas parâmetros individuais, como densidade de corrente de curto-circuito, tensão de circuito aberto ou fator de preenchimento. Nenhuma dessas estratégias havia conseguido otimizar simultaneamente estes parâmetros, e todos são importantes para obter uma alta eficiência. Agora, finalmente uma equipe de pesquisadores desenvolveu uma nova abordagem que se mostrou capaz de obter melhorias notáveis de eficiência nessas células solares tão promissoras. A conseguiu identificar as características ópticas e elétricas responsáveis pelas diferenças nas eficiências de conversão das células solares de silício cristalino espessas e finas. De posse dessa informação essencial, eles montaram uma estratégia para atuar sobre essas características. O resultado, um avanço significativo no campo da tecnologia das células solares de silício, é uma metodologia de fabricação que oferece diversas vantagens em relação às técnicas convencionais. Oito vezes menos silício Em vez de cortar os lingotes de silício, como hoje se faz para fabricar camadas espessas de c-Si, Guanglin Xie e colegas da Universidade Hangzhou Dianzi, na China, empregaram um método de transferência de camada. Eles usaram ácido fluorídrico para gravar poros em uma pastilha espessa de silício, e esta camada porosa serviu como substrato para o crescimento de uma camada de silício monocristalino de 20 µm de espessura, que pode ser facilmente destacada e transferida para um substrato flexível. O resultado são células solares c-Si finas com uma eficiência de conversão de 21,1%, em comparação com os 16,5% anteriores, uma melhoria notável de aproximadamente 28% em comparação com a célula solar de referência. Isso coloca a eficiência das células solares finas de c-Si próxima à de suas equivalentes industriais espessas, que hoje é de 24%. Mas o ganho em termos de custo de fabricação é enorme, considerando que as células solares de hoje têm espessuras na casa dos 160 µm, ou seja, são oito vezes mais grossas do que os protótipos fabricados e testados pela equipe. fonte: inovacaotecnologica.com.br

Chips robotizados: Quatro atuadores eletroquímicos funcionam como pernas - mas totalmente integradas à placa de silício. [Imagem: Cornell] Chips robotizados Construir robôs em escala micrométrica e nanométrica é complicado, especialmente quando se trata de projetar "atuadores" em pequena escala - os motores que permitem que os robôs se movam. Os atuadores convencionais não funcionam em uma escala tão pequena, e versões mais recentes que funcionam usam mecanismos como o magnetismo, o que torna difícil integrá-las com os circuitos eletrônicos necessários para controlar o robô. Agora, uma equipe de pesquisadores das universidades Cornell e Pensilvânia, nos EUA, desenvolveu um novo tipo de atuador que opera eletronicamente, podendo ser instalado diretamente no circuito eletrônico que o controla. Se parece pouco, isso abre as portas para incorporar em robôs tão pequenos que não podem ser vistos pelo olho humano todo o desenvolvimento da eletrônica dos últimos 50 anos. Você pode vê-los como robôs que incorporam a eletrônica em si mesmos, mas também pode ver por outro lado: Eles não são mais do que chips de silício que ganharam mobilidade. Aproximadamente do tamanho de um paramécio, esses robôs fornecem um modelo para a construção de versões ainda mais complexas, que possam utilizar "inteligência" baseada em silício, podem ser produzidos em massa e, quem sabe, possam um dia viajar pelo sangue através do nosso corpo para realizar tarefas médicas. Se você visse esses robôs a olho nu, certamente os confundiria com poeira. [Imagem: Marc Z. Miskin et al. - 10.1038/s41586-020-2626-9] Microrrobôs eletrônicos Os microrrobôs têm cerca de 5 micrômetros de espessura (um micrômetros equivale a um milionésimo de metro), 40 micrômetros de largura e variam de 40 a 70 micrômetros de comprimento. Cada bot consiste em um circuito simples, feito de silício, incluindo células solares - esse bloco funciona como o tronco e o cérebro da máquina - e quatro atuadores eletroquímicos, que funcionam como pernas. Os robôs são controlados emitindo pulsos de laser em diferentes células fotovoltaicas, cada uma delas acionando um conjunto separado de pernas. O movimento de caminhar é obtido alternando o laser para frente e para trás, entre as células solares frontais e traseiras. Outra vantagem é que os microrrobôs exigem baixa tensão (200 milivolts) e baixa potência (10 nanowatts), e têm uma força significativa para seu tamanho. Por serem feitos com processos litográficos padrão, eles podem ser fabricados em larga escala: cerca de 1 milhão de microrrobôs cabem em uma pastilha de silício de 4 polegadas (10 centímetros). Comprovado que o conceito funciona, a equipe pretende agora incorporar circuitos eletrônicos mais complicados e processadores. O próximo passo será fazer os robôs funcionarem como enxames, imitando o comportamento de peixes, pássaros e insetos. Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=robos-silicio-ou-chips-ganharam-vida&id=010180200901#.X1EnAvlKgdU

Esquema do multiplexador integrado, mostrando a onda terahertz de banda larga sendo dividida em quatro frequências diferentes, onde cada uma é capaz de transportar diferentes informações digitais. 6G óptica Pesquisadores da Austrália e do Japão criaram um multiplexador de luz, todo feito de silício, para comunicações na faixa dos terahertz. E, onde quer que você ouça falar sobre terahertz em comunicações, isto se refere à próxima geração de comunicações, ou seja, 6G e além. "Para controlar a grande largura de banda espectral das ondas terahertz, um multiplexador, que é usado para dividir e juntar sinais, é fundamental para dividir as informações em blocos gerenciáveis que possam ser processados mais facilmente e, portanto, possam ser transmitidos mais rapidamente de um dispositivo para outro," explicou o professor Withawat Withayachumnankul, da Universidade de Adelaide. A equipe desenvolveu multiplexadores terahertz ultracompactos e eficientes, graças a um novo processo de tunelamento óptico. E, ao usar apenas silício, garantiu que os componentes possam ser fabricados em escala industrial a preços acessíveis. "Um multiplexador óptico de quatro canais típico pode abranger mais de 2.000 comprimentos de onda. Isso teria cerca de dois metros de comprimento na banda de 300 GHz," comparou o professor Daniel Headland, da Universidade de Osaka. "Nosso dispositivo tem apenas 25 comprimentos de onda, o que oferece uma redução dramática de tamanho por um fator de 6.000." O multiplexador dispensa substratos de suporte para conexão com sistemas externos. Multiplexação O protótipo consegue manipular dados a uma taxa de 48 gigabits por segundo (Gbit/s), equivalente a um filme 8K sem compressão sendo transmitido pela internet. E isto usando o esquema de modulação mais básico possível: A energia terahertz foi simplesmente ligada e desligada para transmitir dados binários. Existem várias técnicas avançadas de multiplexação, que poderão gerar taxas de dados ainda mais altas, na faixa dos terabits/s. A equipe agora pretende integrar o multiplexador com diodos de tunelamento ressonante, para criar transceptores multicanais terahertz totalmente funcionais e, principalmente, compactos. Link: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=chip-silicio-atinge-terahertz-comunicacoes-6g&id=010110210519#.YLMRVKhKjIU Bibliografia: Artigo: Gratingless integrated tunneling multiplexer for terahertz waves Autores: Daniel Headland, Withawat Withayachumnankul, Masayuki Fujita, Tadao Nagatsuma Revista: Optica DOI: 10.1364/OPTICA.420715

Esquema básico de um transístor topológico. [Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)] Isolantes topológicos O que todos esperavam, um tanto ansiosamente, acaba de acontecer. Pesquisadores australianos conseguiram demonstrar o funcionamento de um transístor - o componente fundamental da eletrônica e da computação - usando a promissora classe de materiais conhecidos como isolantes topológicos, materiais que apresentam várias características interessantes porque suas propriedades eletroeletrônicas são diferentes em sua superfície e em seu interior. Os ganhos não são pequenos: As primeiras estimativas dão conta de que um transístor topológico apresenta perdas de energia que são, no mínimo, 10 vezes menores do que as perdas dos mais modernos transistores de silício. Isso significa um alento para o mundo da computação, que já é responsável pelo consumo de cerca de 8% da energia produzida em todo o mundo. E a equipe já deu um passo adicional, projetando uma versão ainda mais avançada, em que seu transístor topológico tira proveito de um fenômeno só recentemente demonstrado, conhecido como capacitância negativa. Transístor básico Um transístor é uma chave eletrônica. Ele tem três terminais: Uma tensão aplicada ao terminal da base controla a corrente que pode fluir entre os outros dois terminais (chamados de coletor e emissor). Nos chips, os transistores podem estar "ligados" (ou seja, a corrente pode fluir) ou "desligados" (a corrente está bloqueada), representando os 1s e 0s necessários para as operações lógicas binárias. Assim, ligar e desligar um transístor - gravar ou alterar seu dado - requer uma pequena quantidade de energia elétrica a cada vez. Então some os milhões, ou mesmo bilhões, de transistores nos chip e processadores mais modernos, e a conta de energia sobe rapidamente. Os transistores de hoje são todos feitos de silício, que é um semicondutor. Ocorre que os semicondutores são isolantes, exigindo uma dopagem com átomos de outros elementos e a aplicação de uma carga elétrica extra para tornar-se condutor. Esse é o princípio do tão conhecido transístor de efeito de campo (FET): A base é conectada por um capacitor a uma fatia do semicondutor que passa entre os terminais coletor e emissor. Uma tensão aplicada na base carrega o capacitor, e sua carga extra em contato com o semicondutor permite que a corrente flua, ligando o transístor, ou passando-o de "0" para "1". O professor Michael Fuhrer na apresentação online em que a equipe descreveu seus resultados com o uso de isolantes topológicos para construir transistores. [Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)] Transístor topológico Um material isolante topológico é mais interessante porque, embora ele também não conduza eletricidade em seu interior, como o silício, ele conduz naturalmente em sua superfície, sem qualquer dopagem. Se ele for fabricado em uma forma tridimensional, ele irá conduzir eletricidade em suas superfícies bidimensionais; se ele for fabricado em camadas muito finas, monoatômicas, ou bidimensionais, ele irá conduzir ao longo de suas bordas unidimensionais. Michael Fuhrer e seus colegas do Instituto Fleet, na Austrália, conseguiram finalmente tirar proveito dessas características para construir transistores funcionais e com um consumo de energia muito baixo. Fuhrer descobriu como usar um campo elétrico para transicionar um material isolante topológico (que conduz eletricidade ao longo de suas bordas) em um isolante normal (que não conduz de forma alguma), o que permite que um material topológico seja usado como um transístor. Ele batizou seu novo transístor de TQFET, ou transístor de efeito de campo quântico topológico. O TQFET pode alternar seus estados com uma tensão mais baixa do que um FET convencional, superando a chamada "tirania de Boltzmann", que define o limite inferior para a tensão necessária para alternar uma corrente em temperatura ambiente. "A comutação de baixa tensão ocorre devido a um efeito chamado acoplamento spin-órbita, que é mais forte em elementos mais pesados como o bismuto. Descobrimos que os TQFETs baseados em bismuto poderiam alternar na metade da voltagem e um quarto da energia dos FETs convencionais de tamanho semelhante," contou o pesquisador Muhammad Nadeem, da Universidade de Wollongong e membro da equipe. O plano agora é passar dos TQFETs para os NC-TQFETs. [Imagem: Michael S. Fuhrer et al. (2021)] Transístor com capacitância negativa Como se não fosse bom o suficiente, a equipe ainda descobriu como tirar proveito de uma outra propriedade inusitada, descoberta recentemente, a capacitância negativa, e usá-la no capacitor do seu transístor TQFET. Um capacitor consiste em dois condutores separados por um isolador. O componente apresenta uma capacitância C, que expressa a quantidade de carga elétrica Q nos metais quando uma tensão V é aplicada entre eles: C = Q/V. Normalmente, este é um número positivo, mas, se ele for negativo, o capacitor ficaria instável e poderia carregar sem a aplicação de nenhuma tensão externa. Mas isso é exatamente o que um material ferroelétrico faz: Ele tem uma polarização espontânea, que carrega suas superfícies. Portanto, um material ferroelétrico pode ser considerado como tendo uma capacitância negativa em um determinado regime, embora esse regime não seja normalmente acessível porque é instável. Já existem várias tentativas de explorar os capacitores negativos na eletrônica, incluindo um transístor com capacitância negativa, mas ninguém conseguiu tirar proveito do fenômeno nos FETs tradicionais porque a queda de tensão necessária para carregar o capacitor devida à capacitância negativa simplesmente desaparece pelo próprio projeto muito aprimorado de construção dos transistores FET atuais. Mas as coisas são diferentes no TQFET. A adição de uma capacitância negativa, na forma de um material ferroelétrico, para fabricar um TQFET de capacitância negativa (NC-TQFET) na verdade amplifica o campo elétrico, o que permite a comutação em tensões e energias muito mais baixas. "O TQFET usa o campo elétrico para chavear, então pode se beneficiar diretamente da amplificação do campo elétrico que é fornecida pela capacitância negativa," disse o professor Jared Cole, da Universidade RMIT. A equipe calculou que um NC-TQFET feito com bismuto e usando háfnio (HfO2) dopado com lantânio (La), um material ferroelétrico que já foi integrado com sucesso ao silício, poderá chavear de ligado para desligado com uma energia 10 vezes menor do que um FET de silício de última geração. "Há ainda mais espaço para melhorias," disse Fuhrer. "Ferroelétricos mais avançados com polarizações remanescentes maiores poderiam permitir a troca em energias ainda mais baixas." Mais do que Moore No entanto, se o progresso está firme nos TQFET, vários desafios ainda terão que ser vencidos para fabricar um NC-TQFET funcional. Isolantes topológicos baseados em bismuto com a estrutura adequada ainda precisarão ser fabricados e testados, e integrar esses materiais com camadas ferroelétricas representa outro desafio nada desprezível. Ainda assim, o NC-TQFET fornece um plano claro para reduzir a energia em futuros transistores. Não por acaso, os transistores topológicos foram adicionados no ano passado ao IEEE International Roadmap for Devices and Systems, o plano internacionalmente acordado que orienta os avanços na tecnologia de semicondutores, conforme mapeado pela famosa Lei de Moore - o roteiro agora já inclui planos delineados como "Mais Moore", "Mais do que Moore" e "Além das tecnologias CMOS". Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-topologico&id=010110211231

Transístor de ponto quântico Os pontos quânticos que deram um impulso na qualidade da imagem das TVs prometem agora dar um impulso na capacidade e na velocidade de processamento dos computadores. Hyeong Yun e colegas do Laboratório Nacional Los Alamos e da Universidade da Califórnia criaram transistores de pontos quânticos totalmente funcionais e já demonstraram seu funcionamento em circuitos capazes de executar operações lógicas. Os primeiros transistores de pontos quânticos em materiais semicondutores foram construídos em 2004, mas até agora vinha sendo difícil produzir as duas versões desse componente necessárias para fazer computações: os transistores de tipo p (positivo) e de tipo n (negativo). Esses pares de transistores são complementares e são tão importantes que dão o nome à tecnologia mais tradicional da microeletrônica, a CMOS (sigla em inglês para semicondutor complementar de óxido metálico), que está na base dos processadores, chips de memória, sensores de imagem e demais dispositivos eletrônicos. Transistores do tipo p e n Hyeong Yun conseguiu justamente construir transistores p e n usando pontos quânticos de seleneto de índio-cobre (CuInSe2), livrando-se do problemático cádmio e outros metais pesados que normalmente entram na composição desses semicondutores, que funcionam como "poços de elétrons". A técnica permite definir transistores do tipo p e n aplicando dois tipos diferentes de contatos metálicos (ouro e índio, respectivamente) - na verdade, o transístor nasce quando uma camada de pontos quânticos comuns é aplicada no topo dos contatos pré-padronizados. "Esta abordagem permite a integração direta de um número arbitrário de transistores do tipo p e n complementares na mesma camada de pontos quânticos, preparada como um filme contínuo não padronizado por meio de espalhamento rotativo," contou o professor Victor Klimov. Como os dois tipos de transistores são construídos na mesma pastilha, isso permitiu à equipe usá-los para demonstrar circuitos eletrônicos totalmente funcionais. Eletrônica de pontos quânticos Desde seu nascimento, a microeletrônica tem-se baseado no silício de altíssima pureza, processado em ambientes de sala limpa especialmente criadas para isso. Recentemente, contudo, o silício tem sido desafiado por várias tecnologias alternativas - normalmente chamadas de tecnologias pós-silício - que permitem a fabricação de circuitos eletrônicos complexos fora de uma sala limpa, por meio de técnicas químicas mais baratas e acessíveis. Nanopartículas semicondutoras coloidais, produzidas com técnicas químicas em ambientes muito menos rigorosos são uma dessas tecnologias emergentes. Devido ao seu pequeno tamanho e propriedades exclusivas diretamente controladas pela mecânica quântica, essas partículas são chamadas de pontos quânticos. Um ponto quântico coloidal consiste em um núcleo semicondutor coberto por moléculas orgânicas. Como resultado dessa natureza híbrida, eles combinam as vantagens dos semicondutores tradicionais bem conhecidos com a versatilidade química dos sistemas moleculares. Essas propriedades são atraentes para a realização de novos tipos de circuitos eletrônicos flexíveis, que podem ser impressos em praticamente qualquer superfície, incluindo plástico, papel e até mesmo na pele humana. Essa capacidade pode beneficiar várias áreas, incluindo eletrônicos de consumo, segurança, sinalização digital e diagnósticos médicos. Bibliografia: Artigo: Solution-processable integrated CMOS circuits based on colloidal CuInSe2 quantum dots Autores: Hyeong Jin Yun, Jaehoon Lim, Jeongkyun Roh, Darren Chi Jin Neo, Matt Law, Victor I. Klimov Revista: Nature Communications Vol.: 11, Article number: 5280 DOI: 10.1038/s41467-020-18932-5 Fonte: Inovação Tecnológica https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=transistor-ponto-quantico&id=010110201113#.X6_KachKjcs