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).

Artigo em destaque: Elucidando o processamento do germânio para aplicações em micro e nanoeletrônica.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: GeO2/Ge structure submitted to annealing in deuterium: Incorporation pathways and associated oxide modifications. Bom, N.M.; Soares, G.V.; Hartmann, S.; Bordin, A.; Radtke, C. Applied Physics Letters 105, 141605 (2014); DOI: 10.1063/1.4898062.

Matéria de divulgação: Elucidando o processamento do germânio para aplicações em micro e nanoeletrônica

O germânio (Ge) é um dos materiais semicondutores elencados como possíveis alternativas ao silício para aplicações na indústria micro e nanoeletrônica. Contudo, o processamento de materiais baseados em germânio visando a otimizar suas propriedades elétricas para essas aplicações ainda se apresenta como desafio à ciência.

Nesse contexto, uma equipe de pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) investigou o tratamento térmico (annealing) de estruturas de germânio em atmosfera de deutério (isótopo do hidrogênio que permite o uso de técnicas analíticas específicas para sua quantificação). Os resultados do estudo foram recentemente publicados no prestigiado periódico Applied Physics Letters (APL).

O estudo que deu origem ao artigo faz parte da pesquisa de doutorado, em andamento, de Nicolau Molina Bom, orientada pelo professor Claudio Radtke no marco do programa de pós-graduação em Microeletrônica da UFRGS. “Este trabalho surgiu como sequência dos estudos desenvolvidos durante meu mestrado, envolvendo sistemas de óxido de alumínio sobre germânio (Al2O3/Ge)”, relata Nicolau.

Na pesquisa de mestrado, também orientada por Radtke, Bom observou que a deposição de materiais dielétricos sobre substratos de germânio, bem como seu processamento por meio de tratamentos térmicos, induzem a oxidação do semicondutor e a formação de dióxido de germânio (GeO2). Devido às reações que ocorrem entre o óxido formado e o substrato de germânio, a estrutura sofre modificações físico-químicas que ocasionam a degradação de suas propriedades elétricas. “Assim, ficou claro que a compreensão destes mecanismos era fundamental para o uso do germânio em aplicações industriais”, conta Bom.

Incorporação de hidrogênio

No artigo publicado na APL, os autores reportam que o tratamento térmico foi realizado em amostras de dióxido de germânio sobre germânio (GeO2/Ge), de dióxido de germânio sobre silício (GeO2/Si) e de dióxido de silício sobre silício (SiO2/Si). Um dos efeitos do tratamento evidenciados por meio das análises foi a incorporação de hidrogênio, em maiores proporções no GeO2/Ge do que no SiO2/Si.

Os autores atribuem esse efeito à ocupação, por parte dos átomos de hidrogênio, de vacâncias de oxigênio (pontos da rede cristalina nos quais, no lugar dos átomos esperados, existem “vagas”), geradas durante o tratamento térmico, tanto no interior do dióxido de germânio quanto na interface GeO2/Ge.

Outro efeito observado pelos cientistas foi a volatilização da camada de óxido, principalmente a temperaturas superiores a 450 ºC, acarretando modificações na estrutura química da camada de óxido remanescente nas amostras.

Representação esquemática dos principais resultados do artigo, enviada por Nicolau Bom.

Contribuição e aplicações do trabalho

“O maior mérito de nosso estudo consiste na elucidação dos processos físico-químicos envolvidos na incorporação de hidrogênio em estruturas de GeO2/Ge”, avalia Nicolau Bom, que é autor correspondente do artigo. “Além disso, a compreensão dessas interações terá papel decisivo na escolha dos parâmetros adequados de processamento em aplicações industriais envolvendo germânio”, completa.

De fato, os resultados do estudo podem ser aplicados, por exemplo, no desenvolvimento de transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFET) baseados em estruturas de germânio. “O MOSFET é o “carro-chefe” da indústria micro/nanoeletrônica e referência para a Lei de Moore”, comenta Bom. Entretanto, de acordo com o doutorando, os resultados apresentados no artigo também podem ser úteis na fabricação de dispositivos com arquiteturas inovadoras, como o transistor de efeito de campo de poço quântico (QWFET). “O alto desempenho apresentado por QWFETs – em virtude das altas mobilidades obtidas pelo confinamento quântico – coloca este dispositivo como uma alternativa promissora para superar as limitações físicas dos MOSFETs convencionais”, afirma Bom.

O estudo que originou o artigo da APL recebeu financiamento do INCT Namitec, INCT de Engenharia de Superfícies, CNPq, CAPES e FAPERGS.

Física, Química, Ciência de Superfícies e Micro/nanoeletrônica

O artigo da APL se insere em um contexto maior de pesquisa, dentro do grupo “Físico-química de superfícies e interfaces sólidas” (FQSIS) da UFRGS. A ideia central que norteia esse trabalho é compreender os mecanismos físico-químicos envolvidos em materiais alternativos à estrutura clássica SiO2/Si, de modo a superar as limitações da nanoeletrônica baseada no silício.”Neste contexto, a interdisciplinaridade entre Física, Química e Engenharia é uma consequência natural do trabalho, onde os conhecimentos oriundos dos diferentes campos de estudo se complementam na investigações destes sistemas”, comenta.

Além de estudos sobre germânio, o grupo conta com trabalhos desenvolvidos em torno de dielétricos de porta com alta constante dielétrica (os chamados high-κ), SiC (material voltado a aplicações em condições extremas de temperatura, tensão e frequência) e grafeno.

Quatro dos cinco autores do artigo. A partir da esquerda, Samuel Hartmann, Nicolau Molina Bom, Cláudio Radtke e Anderson Bordin.