Semicondutores

A ciência dos materiais incluí, basicamente, o estudo de semicondutores, ligas, metais, cerâmicas, vidros e polímeros. A ausência de gravidade é fundamental para entender a função da convecção, sedimentação e pressão hidrostática na solidificação e no crescimento destes materiais. 
Os semicondutores, que podem se apresentar em forma cristalina, revolucionaram a industria eletrônica. Apesar do grande avanço na tecnologia do crescimento de cristais semicondutores, existem ainda alguns problemas que devem ser resolvidos. No caso do silício, por exemplo, ainda existem problemas de contaminantes, como o oxigênio, que não são facilmente removíveis pelos métodos normalmente utilizados. Preparar silício ultra puro em microgravidade, sem a utilização de cadinhos e sob ultra alto vácuo na esteira de um veículo espacial orbital, poderá contribuir para um novo patamar na pesquisa de materiais de alta pureza.
Outro problema existente nos semicondutores é o da obtenção de uma distribuição uniforme de dopantes, particularmente quando em relativamente altas concentrações, como no caso de detectores infravermelhos. Átomos de impurezas são intencionalmente adicionados ou, em certos casos, aparecem espontaneamente devido a defeitos estequiometricos, para produzir as propriedades elétricas desejadas no dispositivo. Como bastam apenas algumas partes por bilhão destes átomos para alterar dramaticamente as propriedades elétricas, uma distribuição homogênea é altamente desejável para a fabricação de dispositivos de alta performance. No caso das ligas semicondutoras do tipo (A_1-xB_x)_1-yC_y, onde A, B e C são elementos químicos e x e y as proporções com que entram na mistura, o grau de homogeneidade necessário é geralmente ainda maior. Estes materiais são intrínsecos, isto é, não necessitam de dopantes para modificar suas características elétricas, que são determinadas pela razão dos componentes que formam a liga, que gera o excesso de elétrons ou de buracos necessário à condução elétrica. Exemplos destas ligas semicondutoras são o Ge_1-xSi_x, Pb_1-xSn_xTe e Hg_1-xCd_xTe. São materiais excelentes para a fabricação de detectores, sendo que sua banda de energia proibida (a energia necessária para promover um elétron da banda de valência para a banda de condução) pode ser ajustada pela composição, selecionando-se um valor apropriado para x.
No entanto, efeitos de convecção, tornam estes materiais não uniformes, prejudicando sua resposta espectral. Vários métodos são testados nos laboratórios para controlar e minimizar a convecção, sem eliminá-la inteiramente. A convecção pode ser causada por gradientes solutais ou por gradientes termais, tanto axiais como radiais.

O gráfico ao lado mostra, na linha azul, o perfil teórico de um crescimento de Pb1-xSnxTe (x=0,20) feito em gravidade terrestre. Nota-se que a concentração de SnTe varia continuamente ao longo do eixo axial do cristal. Os pontos experimentais azuis mostram que um crescimento pela técnica de Bridgman segue este modelo de mistura completa, devido aos efeitos de convecção. A linha vermelha é o perfil teórico de um crescimento em estado estacionário controlado apenas por difusão (DCSS). Os pontos experimentais vermelhos obtidos por um crescimento pela técnica, vapor-líquido-sólido (VMS), mostram que uma fração considerável do cristal manteve-se com a concentração esperada (20%) de SnTe. A técnica VMS, utilizada na Terra, evita, dentro de certos limites os efeitos de convecção, que seriam totalmente eliminados num crescimento em microgravidade.

A mistura homogênea causada pela ausência de convecção auxilia também na eliminação de defeitos estruturais no cristal semicondutor, mesmo quando o mesmo não é uma liga. Num cristal dopado a convecção pode causar a formação de estrias, deslocações e outros tipos de defeitos.

Os exemplos acima podem ser estendidos para várias técnicas de crescimento e diferentes tipos de materiais semicondutores. Crescimentos por vapor, por solução aquosa e mesmo por técnicas epitaxiais podem se beneficiar do ambiente de microgravidade, eliminando defeitos cristalinos, contaminantes e tornando possível a produção de cristais com alto grau de homogeneidade.