Escultura eletrônica: Componentes têm propriedades ditadas pela geometria
[Imagem: Max T. Birch et al. – 10.1038/s41565-025-02104-x]
Materiais monocristalinos
Uma nova técnica de nanofabricação permitiu pela primeira vez fabricar peças tridimensionais em nanoescala diretamente a partir de materiais monocristalinos.
Materiais monocristalinos são fundamentais para a indústria de semicondutores e a microeletrônica em geral – diferentemente dos materiais policristalinos, eles aumentam a eficiência e a velocidade dos componentes eletrônicos e diminuem o custo de produção. Por exemplo, o silício monocristalino é o padrão ouro para a eletrônica de alto desempenho, incluindo a fabricação de CPUs, GPUs etc.
Assim, esta nova possibilidade de fabricação de dispositivos de formatos complexos usando materiais monocristalinos significa que passa a ser possível construir peças com comportamentos eletrônicos definidos.
E Max Birch e colegas do Instituto Riken, no Japão, já demonstraram isto, construindo estruturas em formato de hélice, que, além de poderem desempenhar o papel estrutural ou funcional de uma mola, por exemplo, também apresentam o comportamento eletrônico de um diodo, um componente que permite que a eletricidade flua apenas num sentido.
Dispositivos eletrônicos construídos com formas tridimensionais complexas podem ser menores, mais eficientes e mais potentes do que os dispositivos planos atuais, mas os métodos de fabricação disponíveis até agora restringem os materiais que podem ser usados e podem comprometer a qualidade do dispositivo final.
[Imagem: Max T. Birch et al. – 10.1038/s41565-025-02104-x]
Nanoescultura
Birch usou um feixe de íons focalizado, aprimorado para cortar com precisão submicrométrica. O processo se assemelha à escultura, onde o material é cuidadosamente removido de um bloco sólido até que a forma desejada seja obtida.
Para demonstrar as capacidades da técnica, a equipe fabricou nanodispositivos helicoidais a partir de um cristal magnético composto de cobalto, estanho e enxofre, com a fórmula química Co3Sn2S2.
Com base nas propriedades conhecidas desse material, os pesquisadores esperavam que a geometria torcida produzisse um efeito de transporte elétrico não recíproco, graças à forma quiral em nanoescala. Os experimentos confirmaram essa previsão: A corrente elétrica flui mais facilmente em uma direção, e o efeito pode ser revertido alterando-se a magnetização ou invertendo-se a quiralidade da hélice.
Os pesquisadores também observaram a interação inversa, na qual pulsos elétricos intensos podem inverter a magnetização desse “diodo estrutural”. Diodos são componentes essenciais na eletrônica moderna, usados na conversão CA/CC, processamento de sinais, LEDs e muito mais. Hoje eles são fabricados por um delicado processo químico de dopagem do material monocristalino.
[Imagem: Max T. Birch et al. – 10.1038/s41565-025-02104-x]
Geometria como elemento de projeto
Ao fabricar e comparar hélices de diferentes tamanhos e medir seu comportamento em várias temperaturas, os pesquisadores descobriram que o efeito diodo se deve à dispersão desigual de elétrons ao longo das paredes curvas e quirais dos dispositivos.
Isso comprova que o formato físico de um componente pode influenciar diretamente a forma como a eletricidade se move através dele. Os resultados sugerem que a própria geometria pode ser usada como ferramenta de projeto, possibilitando componentes de baixo consumo de energia e com formato otimizado para futuras tecnologias de memória, lógica e sensores.
“Ao tratar a geometria como uma fonte de quebra de simetria em pé de igualdade com as propriedades intrínsecas do material, podemos projetar a não-reciprocidade elétrica no nível do dispositivo. Nosso método de nanoescultura por feixe de íons focalizado abre uma ampla gama de estudos sobre como geometrias de dispositivos tridimensionais e curvos podem ser usadas para realizar novas funções eletrônicas,” disse Birch.
“De forma mais ampla, esta abordagem possibilita o desenvolvimento de dispositivos que combinam estados eletrônicos topológicos ou fortemente correlacionados com curvatura controlada no regime de transporte balístico ou hidrodinâmico. A convergência da física de materiais e da nanofabricação aponta para arquiteturas de dispositivos funcionais com potencial impacto em tecnologias de memória, lógica e sensores,” completou o professor Yoshinori Tokura, cuja equipe já havia inovado na miniaturização de outro componente eletroeletrônico, a bobina.