Nascida no fim dos anos 80, a spintrônica é considerada o novo paradigma da eletrônica baseada no spin, um grau de liberdade intrínseco do elétron. O termo vem da contração da frase spin transport electronics, onde o portador de informação é o spin do elétron, e não mais sua carga. Esta característica oferece diversas possibilidades para a nova geração de dispositivos combinando a microeletrônica já existente com efeitos dependentes de spin. Adicionando o spin à eletrônica convencional, a performance e capacidade dos produtos deve aumentar substancialmente, incrementando os dispositivos com a não-volatilidade de informação, velocidade de processamento de dados, menor consumo de energia e aumento na densidade de integração de circuitos.

Entretanto, ainda existem barreiras nesta área que impedem a implementação real dos dispositivos, por exemplo a otimização do tempo de vida do spin, a detecção de coerência de spin em escalas nanométricas, o transporte de portadores polarizados por longas distâncias e heterointerfaces, e a manipulação dos spins eletrônicos e nucleares em períodos curtos. A combinação de eletrônica, fotônica e magnetismo permitirá o surgimento de novos dispositivos multifuncionais baseados em spin, como spin-FET (field effect transistor), spin-LED (light-emiting diode), spin-RTD (resonance tunneling diode), chaveadores ópticos operando em freqüências de terahertz, moduladores, decodificadores e qubits para computação e comunicação quântica.

O sucesso desses dispositivos depende de um claro entendimento das interações fundamentais em materiais no estado sólido. Quando for possível realizar o controle do spin em estruturas semicondutoras e ferromagnéticas, finalmente será possível então compreender o potencial da spintrônica.

Os dispositivos spintrônicos metálicos surgiram no final dos anos 80 com a descoberta da magnetorresistência gigante (GMR). Dispositivos spintrônicos metálicos, como cabeçotes de leitura de discos rígidos e memória magnética de acesso aleatório (MRAM), são algumas das tecnologias mais bem sucedidas da última década. Nesta geração de dispositivos não havia uma preocupação significativa com o transporte coerente de portadores polarizados, apenas com o controle da polarização local de portadores.

Cabeçote de leitura de disco usando GMR

A física de dispositivos semicondutores spintrônicos percorreu um caminho similar aos dispositivos metálicos e teve um avanço significativo nos últimos anos. A busca por fenômenos dependentes de spin à temperatura ambiente tem sido um dos grandes alvos de pesquisa na última década, indicando que dispositivos operando nessa faixa de temperatura podem ser implementados em um futuro próximo.

A spintrônica de semicondutores possui diversas características interessantes para um dispositivo. Um dispositivo spintrônico coerente pode, a princípio, exercer várias operações independentes simultaneamente após atingirem equilíbrio térmico. O uso do spin pode aumentar substancialmente a velocidade de processamento de informação, pois o limitante do chaveamento de bits não será mais a capacitância do dispositivo e sim a frequência de precessão do spin eletrônico, variando de GHz a THz. Não-volatilidade de dados armazenados usando spin, assim como o longo tempo de polarização permitem um grande avanço no armazenamento de dados e no acoplamento optoeletrônico. Além dos fatores diretamente envolvidos com os possíveis dispositivos, os semicondutores também podem ser um caminho para a implementação da computação quântica, através do isolamento de spins. E todos esses dispositivos serão implementados de forma a possuírem tamanho reduzido, multifuncionalidade e baixo consumo de energia.

Entretanto, perspectivas implicam em desafios. A otimização do transporte de spin, mantendo a polarização e a coerência, assim como a injeção de spin em regiões não-magnéticas e a detecção dos mesmos são passos importantes para a viabilidade de dispositivos.

A busca por materiais que combinem propriedades ferromagnéticas e semicondutoras tem sido um grande objeto de estudo nos últimos anos. Os semicondutores ferromagnéticos (FS) possuem grande potencial para se tornarem fonte de portadores de spin polarizados e também são facilmente integráveis a dispositivos semicondutores. Um FS ideal possuiria temperaturas de Curie acima da temperatura ambiente e também permitiria tanto a dopagem tipo-p como a tipo-n. Entretanto, as temperaturas de Curie desses materiais estão bastante abaixo da temperatura ambiente, e não apresentam grandes perspectivas de aumento.

Os semicondutores magnéticos diluídos (DMS – diluted magnetic semicondutors) são ligas onde alguns íons são aleatoriamente substituídos por metais de transição, como Mn, Co e outros, de forma a gerar um semicondutor com regiões contendo momento magnético local. Estes materiais podem ser usados na criação, injeção e transporte de portadores polarizados. Alguns DMS’s baseados em semicondutores III-V apresentaram ferromagnetismo em temperaturas da ordem de 110 K, e existem previsões teóricas acima da temperatura ambiente para diversas classes desses materiais. Outra promissora classe de materiais aplicáveis à spintrônica são os óxidos ferromagnéticos, cuja previsão é que sejam meio-metálicos. Tais materiais apresentam alta polarização, e alguns estudos mostram que é possível obter ferromagnetismo acima da temperatura ambiente para os mesmos.

No último artigo que publiquei aqui no TecnoSapiens, intitulado como História: Semicondutor antes de 1900, tratamos das primeiras descobertas que impulsionaram as pesquisas em semicondutores. No presente artigo vou mostrar as descobertas subseqüentes que levaram à tecnologia que temos atualmente.

Durante estes anos de desenvolvimento cientifico se destacaram algumas pesquisas que conduziram ao atual avanço tecnológico que vivemos nos dias de hoje. O início do século XX, foi fundamental para o desenvolvimento da microeletrônica, pois houve um enorme progresso na teoria física com o desenvolvimento da mecânica quântica, feita por Bohr, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger e outros, notadamente durante a década de 20. Em paralelo a este fato, foi proposto um primeiro conceito de desenvolvimento de um transistor, o transistor de efeito de campo (FET-Field Efect Transistor) em estado sólido.

No ano de 1936 a Bell Labs decide criar um grupo de pesquisa específico para estudar e desenvolver dispositivos semicondutores, com o objetivo de fabricar o transistor de efeito de campo. Um outro grupo bastante ativo nesta área e que contribuiu significativamente com o trabalho na Bell Labs foi o grupo da universidade de Purdue. Em 1940, R. Ohi identifica pela primeira vez semicondutores de Si tipo p e tipo n. No mesmo ano, J. Scaff e H. Theuerer mostram que tanto o nível quanto o tipo de condutividade do Si, é devido à presença de impurezas (dopagem). Durante a década de 40 a eletrônica tinha por base as válvulas termoiônicas e relês eletro-mecânicos. Mas as válvulas termoiônicas eram frágeis, tinha um custo de produção elevado e de alto consumo de energia, enquanto os relês eletro-mecânicos com as mesmas características das valvulas e tinham comutação muito lenta. Estas características incentivaram novas pesquisas em torno dos semicondutores Silício e germânio.

Estas limitações destes dispositivos motivaram o reinício da pesquisa e desenvolvimento de novos dispositivos de estado sólido. Assim, em 1946, a Bell Labs recria seu grupo de pesquisa em estado sólido, agora sob liderança de William Shockley, concentrando esforços na pesquisa dos semicondutores Ge e Si e de transistores de efeito de campo. Nesta época, um dos pesquisadores do grupo, Bardeen, sugere uma explicação pelo insucesso na obtenção do transistor FET baseado na alta densidade de estados de superfície dos semicondutores. Mas persistindo na pesquisa da invenção do FET, Bardeen e Brattain descobrem por acaso o efeito de transistor bipolar, no final de 1947 foi demonstrado o efeito transistor por J. Bardeen, W. Shockley e W. H. Brattain (trabalho premiado com o Nobel de física de 1956 – Lista de físicos laureados com o Prêmio Nobel) em um cristal de germânio.

O primeiro transistor, construído por Bardeen e Brattain conhecido como transistor de ponto de contato criado em dezembro de 1947 na Bell Labs.

Na década de 50, o efeito de resistência negativa em junções tipo p com tipo n altamente dopadas foi observado por Esaki, levando à descoberta do efeito quântico de tunelamento. A criação do diodo túnel teve tamanha importância no percurso de desenvolvimento dos dispositivos que garantiu para Leo Esaki o Prêmio Nobel de 1973. Ainda na década de 50 foi criado o primeiro dispositivo que continha, em um único bloco de Si, um transistor, um capacitor e um resistor, interconectados através de fios soldados nos contatos, ver figura abaixo, abrindo caminho para o desenvolvimento de circuitos integrados CI. Outra contribuição muito

Primeiro circuito integrado feito por Jack S. Kilby*.

importante de Esaki, foi a criação de heteroestruturas, em 1969-1970, que separavam elétrons de impurezas ionizadas, de forma a reduzir o espalhamento e aumentar a mobilidade dos portadores. Na década de 60 mais precisamente em 1965 Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, percebeu que o número de transistores dos circuitos integrados cresceria exponencialmente, dobrando a cada dois anos (depois observou-se este crescimento a cada um ano e meio), e previu que esta tendência deveria continuar. A esta tendência denominou-se lei de Moore.

O desenvolvimento e aperfeiçoamento de técnicas de crescimento de materiais com alta qualidade, tais como deposição por epitaxia do tipo MBE-Molecular Beam Epitaxy e deposição por vapor químico do tipo MOCVD-Metalorganic Chemical Vapor Deposition, tornou-se possível o crescimento de camadas monoatômicas individuais uma após a outra, produzindo redes cristalinas artificiais e interfaces quase perfeitas. Com os grandes avanços obtidos nas décadas de 80 e 90, a tecnologia de crescimento de cristais semicondutores se encontra atualmente em um estágio de desenvolvimento bastante elevado. Com o uso destas tecnologias de crescimento de cristais, juntamente com as avançadas técnicas de nanolitografia e de corrosão química (Chemical etching), é possível, com uma engenharia de estrutura de banda, produzir as mais variadas nanoestruturas semicondutoras, as quais devido às escalas de tamanho envolvidas, tem o comportamento dos portadores (elétrons e buracos) governado pela mecânica quântica. Isso não só tornou possível o avanço de dispositivos semicondutores, como também manteve a lei de Moore vigente até os dias atuais.

Quando pensamos em desenvolvimento tecnológico, logo vem em nossas cabeças a descoberta do transistor por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley nos Laboratórios da Bell Telephone em dezembro de 1947! Porém pouco se diz como se deu essa descoberta. Afinal, tudo começou em 1947? Quantos neurônios foram “queimados” para construir a base para essa grande descoberta? E algo importante, de quem foram esses neurônios? O que foi implementado antes do transistor? Existia comunicação via rádio antes do transistor? Pensando nessas questões fiz uma breve revisão histórica sobre a utilização de semicondutores antes de 1900 e apresento a você, caro leitor!

Embora as pesquisas em semicondutor não demorassem muito tempo para chegar ao desenvolvimento atual (60 anos de intensas pesquisas), historicamente temos relatos muito antigos, como o de 1833, uma descoberta feita por Michael Faraday que abriu caminho para as pesquisas em semicondutores. Faraday descobriu que o composto sulfito de prata tem um coeficiente negativo de resistência com a temperatura* e esta é uma propriedade típica nos materiais semicondutores. O oposto é verdadeiro para um condutor, pois este tem um coeficiente positivo de resistência. Uma outra contribuição importante para o campo da física de semicondutor foi a descoberta do físico francês, Alexander Edmond Becquerel. Em 1839 Becquerel relatou que tinha observado o efeito fotovoltáico em eletrodos de platina coberto por cloreto de prata ( AgCl), este foi o primeiro dispositivo fotovoltáico relatado, a fotovoltagem foi gerada no contato do semicondutor AgCl com o condutor Ag (prata). A próxima década importante para pesquisa de semicondutores foi a década de 1870, durante esse período o selênio foi a grande descoberta e trouxe muitos avanços para a evolução dos dispositivos.

O desenvolvimento dos dispositivos eletrônicos iniciou-se em 1874, quando Karl Ferdinand Braun construiu um retificador com um cristal de Galena, ou como é comumente conhecido, sulfeto de chumbo (PbS), soldado com um fio metálico**. Braun observou que o fluxo de corrente total foi alterado, passando a depender da polarização da tensão aplicada e das condições da superfície do material, desta forma ele descobriu o caráter assimétrico da condução elétrica entre metais e semicondutores. A primeira observação de efeito fotovoltáico em sistemas contínuos foi feita em 1876 e a substância de semicondutor era novamente o selênio. W. G. Adams, junto com seu estudante R. E. Day investigava as propriedades fotoelétricas do selênio em Cambridge e eles descobriram que se iluminassem uma junção de selênio e platina teriam o efeito fotovoltáico. A partir dessas descobertas surgiram  novos dispositivos, e importantes avanços em pesquisas relacionadas com a Física da matéria condensada possibilitaram a construção de aparatos que se tornavam cada vez mais eficientes e com aplicações tecnológicas notáveis.

Em 1883, Charles Edger fritts, um eletricista de Nova York, construiu uma pilha solar de selênio (atualmente as pilhas solares são usadas no lugar das baterias nos instrumentos tais como satélites e calculadoras). Aqui deve ser lembrado que este era o primeiro dispositivo com uma área grande e feito de junção semicondutor-metal; entretanto, era muito ineficiente em converter energia solar em energia elétrica. Embora as observações mais significativas do século XIX viessem durante o período 1870-1885, os semicondutores ainda não tinham recebido nenhuma aplicação com finalidade prática. Após a demonstração de Hertz da existência de ondas eletromagnéticas em 1888, um número grande de cientistas começou há de se envolver com descobertas recentes, e o telegráfo via ondas se tornou uma realidade praticável. Entre elas, Jagadish Chandra Bose era a primeira pessoa à introduzir semicondutores para a recepção de ondas eletromagnéticas.

Assim termina a história do semicondutor no século XIX. A saga do semicondutor começa com o sulfito de prata de Faraday em 1833, e no fim do século incorpora o século seguinte com glória, com aplicação introdutória dos semicondutores para finalidades de Telégrafos via ondas feita por Bose.

Veja também

História: Semicondutor a partir de 1900

Obs.: Em breve continuarei esse histórico sobre semicondutores, relatarei os acontecimentos a partir de 1900 até os dias atuais!