LED com dois átomos de espessura? 

Os computadores modernos são, em muitos aspectos, limitados pelo consumo de energia e pelos requisitos de refrigeração. Parte disso vem do processo de realização de cálculos. Mas muitas vezes, a maioria do uso de energia vem simplesmente obtendo dados até o ponto onde os cálculos estão prontos para serem executados. Memória, armazenamento, sistemas de transferência de dados e mais todos criam power draws que, coletivamente, tipicamente acabam usando mais energia do que o próprio processador. E, assim, a utilização do LED ajuda na economia e esfriamento do equipamento.

As comunicações à base de luz oferecem a possibilidade de diminuir o consumo de energia enquanto aumentam a velocidade das conexões. Na maioria dos casos, os projetos se concentraram em situações em que um único laser externo fornece a luz, que é dividida e enviada para as partes do sistema que precisam dela. Mas um novo artigo na Nature Nanotechnologysuggests uma possibilidade alternativa: fontes de luz individuais no próprio chip. Para demonstrar essa possibilidade, o time montou um LED com apenas dois átomos de espessura e integrou-o com um chip de silício. Ainda melhor, o mesmo material pode atuar como um fotodetectorista, fornecendo uma maneira de construir todo o hardware necessário usando um único processo.

Atômico

O trabalho dependia de dois materiais atômicos e finos diferentes. Esses materiais consistem em uma folha planar de átomos quimicamente ligados entre si. Enquanto seu estudo foi pioneiro usando o grafeno, uma folha de átomos de carbono, eles desenvolveram uma variedade de outros materiais com estruturas semelhantes. Os materiais que estão sendo utilizados aqui são ditelluride de molibdênio (MoTe2), um semicondutor e nitreto de boro hexagonal.

Normalmente, um LED requer uma junção entre semicondutores de tipo p e n; A luz é emitida à medida que os elétrons se movem de um para o outro. Para muitos materiais, você pode controlar se eles são p ou n dobrando pequenos números de átomos específicos para o semicondutor. O Doping também não funcionará neste dispositivo específico, mesmo que tenha duas camadas de MoTe2 (os autores dizem que a segunda camada melhora o desempenho).

Em vez disso, os pesquisadores colocaram uma camada do isolador de nitreto de boro em cima do MoTe2 (que também protegeu o MoTe2 de ser oxidado). Além disso, eles colocam uma camada de grafite de corrente, dividida em dois eletrodos. A presença de carga nesses eletrodos induzirão eletrostaticamente o equivalente ao doping de tipo p ou n no semicondutor.

Isso colocou todos os pedaços de um LED no lugar. Para transformá-lo em um dispositivo útil, os autores colocaram tudo isso em cima do silício que tinha sido preparado pela perfuração de uma série de furos cuidadosamente espaçados. O espaçamento desses furos converteu o silício em um cristal fotônico para comprimentos de onda infravermelhos, capaz de direcionar a luz para dentro ou para fora do MoTe2. O cristal fotônico também dobrou a luz de modo que, enquanto o LED estava localizado em cima dela, a luz viajava ao longo do plano do dispositivo. Com uma corrente de 2,3 microAmps, o LED funcionou como esperado, produzindo luz em aproximadamente 1,175 nanômetros, o que o coloca no infravermelho próximo (a luz foi detectada usando um microscópio).

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Os autores também reverteram o dispositivo, transformando-o em um fotodetetor. Se eles dirigissem um laser do comprimento de onda direito no dispositivo, eles podiam induzir uma corrente a fluir entre os dois eletrodos em cima do dispositivo. Um laser fraco (20 microWatts, menos do que a maioria dos ponteiros laser) foi capaz de induzir uma corrente de 2.5 nanoAmps a fluir através do dispositivo.

Embora tudo isso seja impressionante, não é no ponto em que resolve o problema que os pesquisadores dizem querer abordar na introdução de seus artigos: como obter comunicações ópticas para trabalhar no chip. Como fotodetectora, a eficiência quântica externa é estimada em apenas 0,5%, o que significaria que você precisaria enviar uma quantidade substancial de luz para que ela se registre. E como um LED, isso não produz uma tonelada de luz.

Os autores falam um pouco sobre como colocar alguns desses LEDs em série pode permitir que eles criem um laser ópticamente bombeado. Mas nesse ponto, você está falando sobre uma complexidade significativamente maior e o uso de energia. Então, você pode colocar isso como uma demonstração impressionante de como integrar materiais atômicos e finos com um processo de silício padrão. Mas vai precisar de um pouco de trabalho adicional antes de se tornar uma opção para a computação.