Artigo em destaque: Projetando estruturas para manipular a luz.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Oxide-cladding aluminum nitride photonic crystal slab: Design and investigation of material dispersion and fabrication induced disorder. Melo, EG; Carvalho, DO; Ferlauto, AS; Alvarado, MA; Carreno, MNP; Alayo, MI. Journal of Applied Physics 119, 023107 (2016). DOI: 10.1063/1.4939773.

Projetando estruturas para manipular a luz

Cristais fotônicos são nanoestruturas que possibilitam a manipulação da luz visível e das demais formas de radiação eletromagnética, graças à organização de sua estrutura em padrões periódicos.

Além de haver materiais com essas características na natureza, como a opala, cristais fotônicos são criados pelo ser humano, podendo ser classificados como metamateriais. Suas características (materiais que os compõem, formato, dimensões) são projetadas com o objetivo de se conseguir o controle da luz. Por meio de processos de nanofabricação, essas estruturas se tornam reais e são utilizadas em diversos dispositivos chamados “nanofotônicos”. Todavia, a fabricação dessas estruturas não é tarefa simples.

Os autores do artigo. Da esquerda para a direita, posando no laboratório: professor Marcelo Nélson Paez Carreño, Emerson Gonçalves de Melo, Maria Elisia Armas Alvarado e professor Marco Isaías Alayo Chávez. Nas inserções: à esquerda, Daniel Orquiza de Carvalho e, à direita, André Santarosa Ferlauto.

Com um estudo baseado principalmente em simulações computacionais, uma equipe de cientistas de instituições brasileiras, liderada por pesquisadores da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP), gerou contribuições científicas que podem ser utilizadas para melhorar a fabricação de cristais fotônicos de modo a otimizar seu desempenho na manipulação de luz. “O trabalho apresenta uma análise bastante detalhada dos efeitos causados por processos de nanofabricação sobre as características ópticas de cristais fotônicos planares fabricados em nitreto de alumínio com cobertura de dióxido de silício”, diz Emerson Melo, primeiro autor de um paper sobre o trabalho, que foi recentemente publicado no prestigiado periódico Journal of Applied Physics (JAP).

“A ideia surgiu da oportunidade de combinar as excelentes características ópticas e físicas do nitreto de alumínio (AlN), tais como sua transparência em uma grande faixa de comprimentos de onda (do infravermelho próximo ao ultravioleta), seus efeitos não lineares e sua grande estabilidade a variações de temperatura, com as vantagens proporcionadas por cristais fotônicos, como a construção de guias de onda, curvas e cavidades ressonantes de alta eficiência em dimensões nanométricas, além dos diversos efeitos ópticos proporcionados por cristais fotônicos, como baixíssimas velocidades de grupo e intensificação dos efeitos não lineares dos materiais”, conta Emerson, que é estudante de doutorado em Microeletrônica – Fotônica na EPUSP, dentro do Grupo de Novos Materiais e Dispositivos do Laboratório de Microeletrônica do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos. A pesquisa de doutorado de Emerson, cujo orientador é o professor Marco Isaías Alayo Chávez, visa ao estudo, fabricação e caracterização de dispositivos nanofotônicos como guias de onda, cavidades ressonantes, moduladores e chaveadores ópticos em cristais fotônicos de nitreto de alumínio.

O estudo que gerou o paper publicado no JAP iniciou com uma etapa experimental. Filmes finos de nitreto de alumínio e dióxido de silício (SiO2) foram fabricados pelo grupo da EPUSP e, com a colaboração de pesquisadores da UFMG e da UNESP, foram analisados por meio da técnica de elipsometria espectroscópica (VASE) a fim de obter suas funções dielétricas, as quais seriam usadas posteriormente como dados na investigação teórica.

À esquerda, diagrama de uma estrutura de cristal fotônico com alguns dos defeitos de fabricação estudados. À direita, diagrama da célula unitária do cristal fotônico ideal projetado pelos cientistas.

Depois, o grupo da EPUSP projetou um cristal fotônico, ideal em termos de desempenho e de possibilidades de fabricação, composto por uma camada de nitreto de alumínio entre duas camadas de dióxido de silício, com furos redondos dispostos em padrões que se repetem ao longo do “sanduíche”. Usando métodos analíticos e numéricos, os pesquisadores da USP simularam alguns “efeitos colaterais” dos processos de fabricação de cristais fotônicos desse tipo (por exemplo, variações nos tamanhos e posições dos furos) e analisaram teoricamente como essas imperfeições afetariam o desempenho do cristal fotônico.

A investigação teórica de Emerson e os outros pesquisadores da EPUSP concentrou-se nas imperfeições geradas nas duas etapas principais do processo de nanofabricação normalmente empregado em cristais fotônicos como o estudado: litografia por feixe de elétrons e corrosão seca assistida por plasma. “Os resultados apresentados permitem avaliar que o processo de litografia por feixe de elétrons tem maior influência no desempenho de dispositivos que exploram a dispersão da radiação eletromagnética através do cristal fotônico, tais como prismas, chaveadores e moduladores ópticos”, diz Emerson. “Já a qualidade do processo de corrosão seca tem um impacto mais profundo nas características de dispositivos em que são introduzidos defeitos pontuais ou lineares na rede periódica do cristal fotônico para inserir modos harmônicos na banda proibida fotônica. Nesse caso, a corrosão seca deverá ser muito bem controlada para fabricação de dispositivos nos quais guias de onda e cavidades ressonantes encontram-se entre seus principais elementos”, completa.

Além de avançar na compreensão do papel dos processos de nanofabricação de cristais fotônicos no desempenho de dispositivos nanofotônicos, os autores do paper conseguiram definir uma metodologia para projetar cristais fotônicos planares com núcleo e cobertura em filmes finos de materiais dielétricos. “A metodologia inclui o levantamento das funções dielétricas dos materiais através da técnica de elipsometria espectroscópica para a análise dos efeitos de dispersão dos materiais, a obtenção dos parâmetros geométricos que maximizam a banda proibida fotônica e a análise dos impactos causados por desvios introduzidos no processo de fabricação”, detalha Emerson.

A pesquisa teve apoio financeiro do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep).

Entrevistas com palestrantes de plenárias do XIV Encontro: Nader Engheta.


Foto do prof. Nader Engheta sobreposta a algumas imagens relacionadas a pesquisas dele. Crédito: Felice Macera, fotógrafo da Universidade de Pennsylvania.

Materiais fabricados com a aplicação do estado-da-arte da ciência e engenharia de materiais e da nanotecnologia podem fazer com que ondas eletromagnéticas como a luz se comportem de modo extraordinário… e útil para aplicações em diversos segmentos.

Para falar sobre esse assunto, o XIV Encontro da SBPMat contará com a presença do professor Nader Engheta (Universidade de Pennsylvania, EUA), um reconhecido líder mundial da pesquisa em metamateriais – materiais criados pelo ser humano por meio de micro ou nanoengenharia, que interagem com as ondas eletromagnéticas de modos não encontrados na natureza. Os metamateriais podem esculpir as ondas para conseguir interações extraordinárias entre luz e matéria.

No Rio de Janeiro, Engheta falará sobre cenários “extremos” gerados a partir de metamateriais: luz viajando em máxima velocidade através de estruturas artificiais, dispositivos ópticos de um átomo de espessura, metamateriais que realizam operações matemáticas, circuitos miniaturizados – ópticos em vez de eletrônicos – compostos por metamateriais, e estruturas com índice de refração próximo de zero.

Já na sua infância em Teerã (capital do Irã), Nader Engheta desenvolveu uma curiosidade especial por compreender fenômenos relacionados a ondas. Foi essa curiosidade que o impulsionou a cursar a graduação em Engenharia Elétrica na Universidade de Teerã, obtendo o diploma de “Bachelor of Science”. Em 1978, foi aos Estados Unidos para continuar com a sua formação em Engenharia Elétrica no prestigiado Instituto de Tecnologia de California (Caltech). Inicialmente obteve o título de mestre e, em 1982, defendeu sua tese de doutorado, da área de eletromagnetismo. Depois de um pós-doutorado na mesma instituição, Engheta atuou como cientista na indústria por quatro anos, trabalhando novamente com eletromagnetismo.

Em 1987, foi contratado pela Universidade de Pennsylvania (Penn), onde ascendeu rapidamente na carreira de professor. Desde 2005, ocupa a cátedra H. Nedwill Ramsey de Engenharia Elétrica e de Sistemas, além de lecionar nos departamentos de Engenharia Elétrica e de Sistemas, de Física e Astronomia, Bioengenharia e Ciência e Engenharia de Materiais. Engheta é coeditor do livro “Metamaterials: Engineering and Physics Explorations“, da editora Wiley-IEEE, lançado em 2006, e autor de 28 capítulos de livros. Em 2012, foi coordenador da Gordon Research Conference on Plasmonics.

Dono de um número H de 69 segundo o Google Scholar, Engheta tem mais de 21.400 citações.

Suas contribuições à ciência e engenharia têm recebido importantes reconhecimentos e distinções de diversas entidades, como a sociedade internacional de óptica e fotônica, SPIE (“2015 SPIE Gold Medal”), a união internacional de ciência de rádio, URSI (“2014 Balthasar van der Pol Gold Medal”) e a organização internacional profissional de engenheiros elétricos e eletrônicos, IEEE (“2015 IEEE Antennas and Propagation Society Distinguished Achievement Award“, “2013 Benjamin Franklin Key Award”, “2012 IEEE Electromagnetics Award”, “IEEE Third Millennium Medal”), entre muitas outras entidades. Ele também é fellow da Materials Research Society (MRS), American Physical Society (APS), Optical Society of America (OSA), American Association for the Advancement of Science (AAAS), SPIE, and IEEE. Engheta também recebeu vários prêmios por sua atuação no ensino.  Em 2006, a prestigiada revista de divulgação científica Scientific American o escolheu como um dos 50 líderes em ciência e tecnologia por seu desenvolvimento de nanocircuitos ópticos inspirados em metamateriais.

Segue uma entrevista com este plenarista do XIV Encontro da SBPMat.

Boletim da SBPMat: – Em sua opinião, quais são suas contribuições mais significativas nos temas relacionados à sua palestra plenária no XIV Encontro da SBPMat? Explique-as muito brevemente, por favor, e, se possível, compartilhe referências dos artigos ou livros resultantes, ou comente se esses estudos produziram patentes, produtos, empresas derivadas etc.

Nader Engheta: – Eu tenho muito interesse na interação luz-matéria, e no meu grupo nós exploramos diferentes métodos para manipular e  otimizar a interação de ondas com estruturas materiais, tanto no domínio óptico como no das microondas. Estou muito feliz com todos os tópicos de pesquisa nos quais o meu grupo e eu temos trabalhado. Alguns desses tópicos incluem (1) O nanocircuito metatrônico óptico, no qual nós trouxemos a noção de elementos de circuito “aglomerado” (“lumped”) da eletrônica para o campo da nanofotônica, desenvolvendo um novo paradigma no qual as nanoestruturas materiais podem funcionar como elementos de circuito óptico. Em outras palavras, “materiais se tornam circuitos” operando com sinais ópticos. Dessa forma, a nanofotônica pode ser modulada de uma maneira análoga à da eletrônica. Isso permite processar sinais ópticos em nanoescala, (2) Metamateriais que podem fazer matemática: dando sequência a nosso trabalho em metatrônica óptica, nós estamos explorando como materiais projetados adequadamente (ex. materiais em camadas) podem interagir com luz de tal forma que seja possível realizar operações matemáticas com luz. Em outras palavras, nós estamos explorando as seguintes questões: Os materiais podem ser especialmente projetados para realizar processamento analógico com a luz em nanoescala? Na medida em que a luz propaga através de tais estruturas materiais projetadas adequadamente, os perfis dos sinais de saída poderiam se assemelhar aos resultados de certas operações matemáticas (tal como diferenciação ou integração) nos perfis dos sinais de entrada? Em outras palavras, nós podemos projetar materiais para operações matemáticas específicas para realizar um “cálculo fotônico” em nanoescala? (3) Cenários extremos na interação luz-matéria: isso pode incluir dimensionalidade extrema, como fotônica de grafeno como plataforma com espessura de um átomo para manipulação de luz, metamateriais extremos no qual parâmetros materiais tais como permissividade relativa e permeabilidade relativa atinjam valores próximos do zero. Essa categoria de materiais, que nós nomeamos materiais épsilon-próximo-do zero, mu-próximo do zero (MNZ) e épsilon-e-mu-próximo do zero (EMNZ) exibem características bastante interessantes em sua resposta à interação com ondas eletromagnéticas.

Referências:

  • N. Engheta, “Circuits with Light at Nanoscales:  Optical Nanocircuits Inspired by Metamaterials”, Science, 317, 1698-1702 (2007).
  • N. Engheta, A. Salandrino, A. Alu, “Circuit Elements at Optical Frequencies:  Nano-Inductor, Nano-Capacitor, and Nano-Resistor,” Physical Review Letters, 95, 095504 (2005).
  • N. Engheta, “Taming Light at the Nanoscale,”  Physics World , 23(9), 31-34 (2010).
  • A. Vakil and N. Engheta, “Transformation Optics Using Graphene,” Science, 332, 1291-1294 (2011).
  • A.Silva, F. Monticone, G. Castaldi, V. Galdi, A. Alu, and N. Engheta, “”Performing Mathematical Operations with Metamaterials,” Science, 343, 160-163 (2014).
  • M. G. Silveirinha and N. Engheta, “Tunneling of Electromagnetic Energy through Sub-Wavelength Channels and Bends Using Epsilon-Near-Zero (ENZ) Materials,” Physical Review Letters, 97, 157403 (2006).
  • N. Engheta, “Pursuing Near-Zero Response”, Science, 340, 286-287 (2013).
  • A.M. Mahmoud and N. Engheta, “Wave-Matter Interaction in Epsilon-and-Mu-Near-Zero Structures”, Nature Communications, 5:5638, December 5, 2014.

Boletim da SBPMat: – Ajude-nos a visualizar os metamateriais desenvolvidos por seu grupo. Escolha um de seus materiais fotônicos favoritos e conte-nos, brevemente, do que ele é feito, qual sua propriedade principal e quais seriam suas possíveis aplicações.

Nader Engheta: – Uma das estruturas desenvolvidas pelo meu grupo é o nanocircuito metatrônico para regime de IV médio (de 8 a 14 mícrons), no qual nós adaptamos e construímos adequadamente nanobastões de Si3N4 com larguras e espessuras específicas, separados por um espaço específico. Esses arranjos de nanobastões de Si3n4 funcionam como coleções de nanoindutores ópticos, nanocapacitores ópticos e nanorresistores ópticos no IV médio. Nós demonstramos que tais estruturas se comportam como circuitos ópticos de nanoescala, com funcionalidade análoga aos filtros eletrônicos, mas aqui essas estruturas materiais operam em regimes de IV médio. Nós demostramos como essas estruturas operam como filtros ópticos no IV médio, oferecendo aplicações interessantes para futuros dispositivos e componentes ópticos integrados.

Referência:

  • Y. Sun, B. Edwards, A. Alu, and N. Engheta, “Experimental Realization of Optical Lumped Nanocircuit Elements at Infrared Wavelengths,” Nature Materials, 11, 208-212 (2012)

Posteriormente, em colaboração com a minha colega professora Cherie Kagan e seu grupo na UPenn, nós ampliamos esse trabalho para o regime próximo ao IV (de 1 a 3 mícrons). Nesse caso, nós usamos o óxido de índio dopado com estanho (ITO) como o material de escolha, com projeto e padrão adequado de nanobastões de ITO. Nós também demonstramos que tais circuitos metatrônicos óticos baseados em ITO funcionam como uma plataforma interessante para circuitos e filtragem óptica. Isso pode ter interessantes possibilidades na fotônica de silício.

Referência:

  • H. Caglayan, S.-H. Hong, B. Edwards, C. Kagan, and N. Engheta, “Near-IR Metatronic Nanocircuits by Design,” Physical Review Letters, 111, 073904 (2013).

Boletim da SBPMat: – Se quiser, deixe uma mensagem ou convite para sua palestra plenária aos leitores que participarão do XIV Encontro da SBPMat.

Nader Engheta: – Uma das características mais excitantes de fazer ciência é a alegria da busca do desconhecido e a emoção da descoberta. Eu sempre acredito que nós devemos seguir nossa curiosidade e nossa paixão pela descoberta. Também, em ciência e tecnologia é importante manter o equilíbrio entre a complexidade e a simplicidade na busca por soluções às inquisições científicas.

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