{"id":8438,"date":"2020-02-29T12:45:49","date_gmt":"2020-02-29T15:45:49","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/?p=8438"},"modified":"2020-03-10T15:59:17","modified_gmt":"2020-03-10T18:59:17","slug":"artigo-em-destaque-microtubos-de-nanomembranas-e-materiais-hibridos-para-dispositivos-eletronicos-avancados","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/artigo-em-destaque-microtubos-de-nanomembranas-e-materiais-hibridos-para-dispositivos-eletronicos-avancados\/","title":{"rendered":"Artigo em destaque: Microtubos de nanomembranas e materiais h\u00edbridos para dispositivos eletr\u00f4nicos avan\u00e7ados."},"content":{"rendered":"

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Os artigos cient\u00edficos de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste m\u00eas s\u00e3o:<\/p>\n

Ambipolar Resistive Switching in an Ultrathin Surface-Supported Metal\u2013Organic Framework Vertical Heterojunction.<\/strong> Luiz G. S. Albano, Tatiana P. Vello, Davi H. S. de Camargo, Ricardo M. L. da Silva, Antonio C. M. Padilha, Adalberto Fazzio, Carlos C. B. Bufon. Nano Lett. 2020, 20, 2, 1080-1088. https:\/\/doi.org\/10.1021\/acs.nanolett.9b04355<\/p>\n

Edge-driven nanomembrane-based vertical organic transistors showing a multi-sensing capability.<\/strong> Ali Nawaz, Leandro Merces, Denise M. de Andrade, Davi H. S. de Camargo & Carlos C. Bof Bufon. Nature Communications volume 11, Article number: 841 (2020). Dispon\u00edvel em https:\/\/www.nature.com\/articles\/s41467-020-14661-x<\/a> (acesso livre)<\/p>\n

Microtubos de nanomembranas e materiais h\u00edbridos para dispositivos eletr\u00f4nicos avan\u00e7ados<\/strong><\/p>\n

Alguns dos desafios das pr\u00f3ximas gera\u00e7\u00f5es de smartphones, sensores e outros aparelhos eletr\u00f4nicos podem ser resolvidos com a ajuda de microtubos de nanomembranas (folhas feitas a partir de v\u00e1rios materiais, condutores da eletricidade ou n\u00e3o, com espessuras nanom\u00e9trica e dimens\u00f5es laterais microm\u00e9tricas, que podem se autoenrolar formando microtubos).<\/p>\n

Na cidade de Campinas (SP), no Laborat\u00f3rio Nacional de Nanotecnologia do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (LNNano\/CNPEM<\/a>), um grupo de cientistas vem desenvolvendo expertise em processos de s\u00edntese, fabrica\u00e7\u00e3o e caracteriza\u00e7\u00e3o de nanomembranas e suas aplica\u00e7\u00f5es. Em trabalhos que foram publicados em janeiro e fevereiro deste ano nos peri\u00f3dicos Nano Letters e Nature Communications, os autores exploram algumas potencialidades das nanomembranas, principalmente relacionadas \u00e0 sua flexibilidade e dimens\u00f5es, para desenvolver novos memoristores e transistores \u2013 dois dispositivos eletr\u00f4nicos amplamente utilizados.<\/p>\n

Mais precisamente, os pesquisadores do LNNano mostram que os microtubos de nanomembrana podem ser pe\u00e7as-chave na confec\u00e7\u00e3o de componentes promissores utilizando materiais org\u00e2nicos e h\u00edbridos (org\u00e2nico-inorg\u00e2nico) como os memoristores e transistores. Dessa maneira, as novidades propostas nos artigos podem contribuir ao desenvolvimento de aparelhos e equipamentos ainda menores, flex\u00edveis, port\u00e1veis, mais baratos e que combinem melhor desempenho e mais funcionalidades com baixo consumo de energia.<\/p>\n

Em entrevista ao Boletim da SBPMat, Carlos Cesar Bof Bufon<\/a>, autor correspondente dos dois artigos, fala sobre o impacto cient\u00edfico, tecnol\u00f3gico e social das pesquisas e sobre as compet\u00eancias e infraestrutura envolvidas na sua realiza\u00e7\u00e3o. Bufon \u00e9\u00a0pesquisador e chefe da Divis\u00e3o de Dispositivos do LNNano\/CNPEM.<\/p>\n

Boletim da SBPMat: –\u00a0Os artigos apresentam avan\u00e7os, desenvolvidos no LNNano, em tecnologias para dispositivos eletr\u00f4nicos (transistores e memoristores). Na sua opini\u00e3o, quais s\u00e3o as principais contribui\u00e7\u00f5es tecnol\u00f3gicas e\/ ou cient\u00edficas que estes artigos apresentam?\u00a0<\/strong><\/p>\n

Carlos Cesar Bof Bufon: – O trabalho intitulado \u201cAmbipolar Resistive Switching in an Ultrathin Surface-Supported Metal\u2013Organic Framework Vertical Heterojunction<\/em>\u201d publicado na Nano Letters (doi:\u00a010.1021\/acs.nanolett.9b04355<\/a>), reporta o desenvolvimento de um novo tipo de memoristor utilizando estruturas metal-org\u00e2nicas de superf\u00edcie (SURMOFs). Os SURMOFs s\u00e3o estruturas h\u00edbridas compostas por \u00edons met\u00e1licos conectados por ligantes org\u00e2nicos, altamente organizadas em superf\u00edcies recobertas com monocamadas quimicamente ativas (SAMs). Existem mais de 70 mil tipos de estruturas metal-org\u00e2nicas (MOFs) que podem ser preparadas como SURMOFs e que podem conferir novas funcionalidades a dispositivos eletr\u00f4nicos. Al\u00e9m das novas funcionalidades, sua consider\u00e1vel flexibilidade mec\u00e2nica e baixo custo despertam interesse na comunidade cient\u00edfica para aplica\u00e7\u00f5es. Por\u00e9m, por se tratar de um material h\u00edbrido formando por elementos org\u00e2nicos e inorg\u00e2nicos, a integra\u00e7\u00e3o desta classe de materiais torna-se um desafio tecnol\u00f3gico. Com intuito de contornar essa limita\u00e7\u00e3o, este trabalho apresenta uma nova arquitetura para a integra\u00e7\u00e3o dessas de estruturas SURMOFs e sua aplica\u00e7\u00e3o no desenvolvimento de um novo tipo de memoristor. A arquitetura proposta \u00e9 baseada no contato el\u00e9trico superior de filmes ultrafinos de SURMOF HKUST-1 utilizando nanomembranas met\u00e1licas autoenroladas (microtubos). Os filmes de SURMOF explorados nesse trabalho apresentam espessuras da ordem de 20 nan\u00f4metros. Essa nova arquitetura abre caminhos promissores na \u00e1rea de dispositivos eletr\u00f4nicos baseados em SURMOFs, bem como fornece uma plataforma tecnol\u00f3gica para a realiza\u00e7\u00e3o de estudos ainda n\u00e3o reportados na literatura para essa classe de materiais, como por exemplo, a investiga\u00e7\u00e3o de como as cargas el\u00e9tricas s\u00e3o conduzidas em camadas de SURMOFs ultrafinos.<\/p>\n

\"Fotografia
Fotografia de um microchip fabricado utilizando fotolitografia e ilustra\u00e7\u00e3o do contato el\u00e9trico no SURMOF realizado pela nanomembrana met\u00e1lica autoenrolada. Cada microchip possui \u00e1rea de 81 mm2 contendo 32 memoristores.<\/figcaption><\/figure>\n

J\u00e1 o trabalho intitulado\u00a0\u201cEdge-driven nanomembrane-based vertical organic transistors showing a multi-sensing capability\u201d<\/em>\u00a0publicado na Nature Communications (doi:\u00a010.1038\/s41467-020-14661-x<\/u><\/a>), apresenta o desenvolvimento de uma plataforma de transistor org\u00e2nico em arquitetura vertical. Os transistores s\u00e3o os principais componentes de circuitos e processadores eletr\u00f4nicos. Comparados aos transistores inorg\u00e2nicos, os transistores org\u00e2nicos t\u00eam como vantagens o baixo custo e sua f\u00e1cil fabrica\u00e7\u00e3o, que o tornam atraentes para dispositivos eletr\u00f4nicos flex\u00edveis em v\u00e1rias \u00e1reas. Uma grande vantagem dos transistores verticais est\u00e1 em sua f\u00e1cil integra\u00e7\u00e3o com dispositivos emissores de luz e fotodetectores na forma\u00e7\u00e3o de sistemas optoeletr\u00f4nicos integrados. Os dispositivos apresentados neste trabalho foram processados inteiramente por meio de t\u00e9cnicas convencionais de microfabrica\u00e7\u00e3o e fotolitografia, o que \u00e9 uma vantagem do ponto de vista da viabilidade tecnol\u00f3gica. Um grande diferencial destes novos transistores est\u00e1 relacionado \u00e0 utiliza\u00e7\u00e3o de nanomembranas met\u00e1licas autoenroladas como eletrodos de dreno (um dos contatos do transistor), promovendo assim a forma\u00e7\u00e3o de um contato mec\u00e2nico suave com a camada de semicondutor org\u00e2nico. Nesta arquitetura, a camada semicondutora pode atingir espessuras menores que 50 nan\u00f4metros. Os dispositivos fabricados mostraram altas densidades de corrente (~0,5 A\/cm2<\/sup>) com baixas tens\u00f5es de opera\u00e7\u00e3o (\u2264 3 V). Com base em nosso estudo te\u00f3rico, foi poss\u00edvel prever uma melhoria na estrutura do transistor, resultando em proje\u00e7\u00f5es de dispositivos com densidades de corrente de at\u00e9 10 A\/cm2<\/sup>. Tais valores \u2013 obtidos com baixas tens\u00f5es de opera\u00e7\u00e3o em uma plataforma composta por camadas org\u00e2nicas ativas \u2013 destacam o potencial desses dispositivos para futuramente serem integrados em aplica\u00e7\u00f5es eletr\u00f4nicas flex\u00edveis e port\u00e1teis. Al\u00e9m disso, os novos transistores mostraram-se capazes de detectar diferentes n\u00edveis de umidade e de luz, gra\u00e7as \u00e0 plataforma de dispositivo baseada em nanomembranas autoenroladas. Portanto, os transistores desenvolvidos tamb\u00e9m possuem um grande potencial para o avan\u00e7o da tecnologia de sensores da pr\u00f3xima gera\u00e7\u00e3o.<\/p>\n

\"Imagem
Imagem de microscopia eletr\u00f4nica de varredura (colorida artificialmente) do transistor org\u00e2nico vertical baseado em nanomembrana enrolada (tons de amarelo). A radia\u00e7\u00e3o incidente e as mol\u00e9culas de \u00e1gua (artificialmente colocadas) ilustram as caracter\u00edsticas de sensibilidade m\u00faltipla do novo dispositivo eletr\u00f4nico.<\/figcaption><\/figure>\n

Boletim da SBPMat: –\u00a0De que maneira os resultados dos artigos poderiam impactar na vida cotidiana das pessoas (impacto social)? Voc\u00ea considera que as tecnologias propostas poderiam substituir as usadas atualmente ou criar novas aplica\u00e7\u00f5es? Se sim, quais seriam as vantagens destas novas tecnologias desenvolvidas no LNNano? Seria necess\u00e1rio dar muitos passos ainda para levar os resultados dos artigos ao mercado?<\/strong><\/p>\n

Carlos Cesar Bof Bufon: –\u00a0O memoristor \u00e9 considerado um dos quatro componentes eletr\u00f4nicos fundamentais. Em um computador, \u00e9 capaz de realizar as fun\u00e7\u00f5es de processamento e de armazenamento de informa\u00e7\u00e3o.\u00a0Neste trabalho, o comportamento de memoristor foi observado em condi\u00e7\u00f5es de alta umidade relativa (entre 90-70%). An\u00e1logo a uma espoja, as mol\u00e9culas de \u00e1gua presentes no ambiente s\u00e3o absorvidas pelos nanoporos do SURMOF. Em determinado campo el\u00e9trico, essas mol\u00e9culas facilitam a condu\u00e7\u00e3o dos el\u00e9trons dentro do material atrav\u00e9s da altera\u00e7\u00e3o da sua resist\u00eancia el\u00e9trica. A diferen\u00e7a na resist\u00eancia el\u00e9trica pode chegar a 1 milh\u00e3o de vezes utilizando baixas tens\u00f5es de opera\u00e7\u00e3o – menores que 2 V. Em uma aplica\u00e7\u00e3o pr\u00e1tica, essa diferen\u00e7a pode corresponder a estados bin\u00e1rios como 0 e 1. A total fabrica\u00e7\u00e3o do dispositivo foi realizada com t\u00e9cnicas convencionais de fotolitografia, compat\u00edveis com a produ\u00e7\u00e3o em escala industrial. O fato de depender de umidade para seu funcionamento n\u00e3o limita sua aplica\u00e7\u00e3o comercial, pois isto pode ser facilmente contornado atrav\u00e9s de processos de encapsulamento, comuns na ind\u00fastria de dispositivos eletr\u00f4nicos.<\/p>\n

J\u00e1 a fabrica\u00e7\u00e3o de transistores org\u00e2nicos em arquitetura vertical utilizando nanomembranas enroladas como\u00a0eletrodos de dreno\u00a0permite a redu\u00e7\u00e3o da regi\u00e3o de interesse para menos de 50 nan\u00f4metros (mais de mil vezes menor que a espessura de um fio de cabelo). Isso implica um avan\u00e7o significativo na ind\u00fastria eletr\u00f4nica, porque a portabilidade de aplica\u00e7\u00f5es eletr\u00f4nicas, como\u00a0smartphones<\/em>, computadores e televisores, depende da redu\u00e7\u00e3o do n\u00famero e do tamanho de transistores. O mecanismo de opera\u00e7\u00e3o do dispositivo relatado neste trabalho amplia o entendimento atual sobre transistores org\u00e2nicos verticais, mostrando que as densidades de corrente podem ser melhoradas realizando-se manipula\u00e7\u00f5es cuidadosas na estrutura espacial do eletrodo met\u00e1lico intermedi\u00e1rio (fonte). Al\u00e9m disso, a prepara\u00e7\u00e3o de\u00a0microchips<\/em>\u00a0de transistores foi realizada com t\u00e9cnicas de microfabrica\u00e7\u00e3o compat\u00edveis com a escala industrial. Assim, esses dispositivos podem ser facilmente integrados em aplica\u00e7\u00f5es eletr\u00f4nicas com algumas etapas adicionais, como o encapsulamento de microchips para evitar a degrada\u00e7\u00e3o dos materiais org\u00e2nicos.<\/p>\n

Os dois conceitos de dispositivos baseados em nanomembranas ampliam as possibilidades para o uso de materiais h\u00edbridos em eletr\u00f4nica. Por mais que exista uma tend\u00eancia para a substitui\u00e7\u00e3o de uma tecnologia por outra, os conceitos desenvolvidos em nossos trabalhos buscam abrir novas fronteiras e possibilidades atrav\u00e9s o design de estruturas funcionais a partir de seus elementos fundamentais tais como \u00e1tomos e mol\u00e9culas.<\/p>\n

Todas as tecnologias que desenvolvemos na \u00e1rea de dispositivos no LNNano\/CNPEM est\u00e3o firmemente calcadas tanto no entendimento dos conceitos fundamentais que governam as propriedades dos componentes como na aplica\u00e7\u00e3o tecnol\u00f3gica. Esses dois trabalhos foram iniciados fundamentalmente do zero. Em termos do seu n\u00edvel de maturidade tecnol\u00f3gica (do ingl\u00eas\u00a0technology readiness level<\/em>, TRL), os dispositivos alcan\u00e7aram a valida\u00e7\u00e3o funcional dos componentes em ambiente de laborat\u00f3rio (foi totalmente conclu\u00edda). Dentro da escala TRL, atingimos o quarto n\u00edvel de um total de 9, sendo este \u00faltimo a comercializa\u00e7\u00e3o. Vale ainda ressaltar que o pr\u00f3ximo n\u00edvel a ser trabalhado precisa necessariamente envolver a participa\u00e7\u00e3o do setor produtivo, que \u00e9, de fato, quem pode acelerar a chegada deste tipo de pesquisa ao mercado.<\/p>\n

Boletim da SBPMat: –\u00a0Conte-nos brevemente a hist\u00f3ria dos trabalhos reportados nos dois\u00a0artigos: como e quando surgiu a ideia, se foi necess\u00e1rio reunir compet\u00eancias muito diversas, a infraestrutura utilizada, curiosidades etc.<\/strong><\/p>\n

Carlos Cesar Bof Bufon: –\u00a0Os trabalhos s\u00e3o frutos de diferentes hist\u00f3rias, mas foram desenvolvidos no mesmo grupo de pesquisa com a ideia comum de explorar as potencialidades das nanomembranas na \u00e1rea de dispositivos funcionais. Esta tem\u00e1tica faz parte do meu projeto Jovem Pesquisador financiado em 2016 pela FAPESP. A ideia da aplica\u00e7\u00e3o dos SURMOFs como memoristor, utilizando como contato superior as nanomembranas, foi desenvolvida em conjunto com o p\u00f3s-doutorando Dr. Luiz Gustavo Sim\u00e3o Albano. O nosso grupo de pesquisa come\u00e7ou a avaliar a viabilidade tecnol\u00f3gica de utilizar os SURMOFs como materiais funcionais em dispositivos h\u00e1 cerca de 3 anos. Desde ent\u00e3o, o grupo vem estabelecendo de forma continuada a implementa\u00e7\u00e3o das rotas de s\u00edntese e integra\u00e7\u00e3o para aplica\u00e7\u00f5es na \u00e1rea de componentes eletr\u00f4nicos.<\/p>\n

O trabalho foi realizado inteiramente no LNNano\/CNPEM, e conta com uma lista de coautores que contribu\u00edram ativamente para tornar poss\u00edvel a realiza\u00e7\u00e3o deste trabalho: Tatiana P. Vello (crescimento dos SURMOFs), Davi H. S. de Camargo (fabrica\u00e7\u00e3o de dispositivos e ilustra\u00e7\u00f5es), Ricardo M. L. da Silva (fabrica\u00e7\u00e3o de dispositivos), Dr. Antonio C. M. Padilha (simula\u00e7\u00f5es DFT) e Prof. Dr. Adalberto Fazzio (simula\u00e7\u00f5es DFT).<\/p>\n

O trabalho com o transistor tamb\u00e9m segue o padr\u00e3o do memoristor \u2013 combina\u00e7\u00e3o de materiais funcionais e nanomembranas. H\u00e1 cerca de 15 anos comecei a me interessar pelas potencialidades do uso de camadas nanoestruturadas como blocos fundamentais em uma eletr\u00f4nica vertical. Ao tomar conhecimento dos trabalhos do Prof. Ivo H\u00fcmmelgen, da UFPR (falecido em 2018), na \u00e1rea de transistores verticais, uma s\u00e9rie de vantagens e desafios me chamaram a aten\u00e7\u00e3o. A ideia do trabalho surgiu ao antecipar que a melhoria no desempenho do dispositivo poderia ser alcan\u00e7ada com o uso de um eletrodo de dreno baseado em nanomembrana enrolada e um eletrodo intermedi\u00e1rio (fonte) padronizado usando fotolitografia. Em maio de 2018, o Dr. Ali Nawaz (ex-aluno do Prof. Ivo!), natural do Paquist\u00e3o, iniciou a execu\u00e7\u00e3o do projeto no LNNano\/CNPEM. Sendo um projeto de execu\u00e7\u00e3o complexa, as infraestruturas avan\u00e7adas para processamento e caracteriza\u00e7\u00e3o de dispositivos do LNNano\/CNPEM foram fundamentais. E da mesma forma que o memoristor, a pesquisa dependeu de um conjunto de expertises variadas. Durante o projeto, o Dr. Leandro Merces prestou assist\u00eancia cr\u00edtica na investiga\u00e7\u00e3o dos aspectos te\u00f3ricos dos dispositivos, enquanto os colaboradores Davi Camargo (especialista em microfabrica\u00e7\u00e3o) e Denise de Andrade (estagi\u00e1ria de gradua\u00e7\u00e3o pela Universidade Estadual de Ponta Grossa), forneceram ao trabalho todo o suporte t\u00e9cnico necess\u00e1rio.<\/p>\n

\"Autores
Autores principais dos trabalhos. A partir da esquerda: Carlos Cesar Bof Bufon, Lu\u00edz Gustavo Sim\u00e3o Albano e Ali Nawaz.<\/figcaption><\/figure><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Os artigos cient\u00edficos de autoria de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste m\u00eas s\u00e3o: Ambipolar Resistive Switching in an Ultrathin Surface-Supported Metal\u2013Organic Framework Vertical Heterojunction. Luiz G. S. Albano, Tatiana P. Vello, Davi H. S. de Camargo, Ricardo M. L. da Silva, Antonio C. M. Padilha, Adalberto Fazzio, Carlos C. […]<\/p>\n","protected":false},"author":4,"featured_media":0,"comment_status":"open","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[1903,1886,45,44,1895,1896,1901,1902,1900,1899,1894,1898,1897],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8438"}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/users\/4"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=8438"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8438\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":8467,"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/8438\/revisions\/8467"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=8438"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=8438"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.sbpmat.org.br\/pt\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=8438"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}