Tecnologia Científica

Engenheiros misturam e combinam materiais para criar novos eletra´nicos ela¡sticos
Os dispositivos da próxima geraça£o fabricados com o novo manãtodo
Por Jennifer Chu - 06/02/2020

Imagem: Felice Frankel
Com uma nova técnica, os pesquisadores do MIT podem descascar e empilhar filmes finos de a³xidos meta¡licos - compostos químicos que podem ser projetados para ter propriedades magnanãticas e eletra´nicas exclusivas. Os filmes podem ser misturados e combinados para criar dispositivos eletra´nicos flexa­veis e multifuncionais, como peles movidas a energia solar e tecidos eletra´nicos.

No coração de qualquer dispositivo eletra´nico estãoum chip de computador ra­gido e frio, coberto por uma cidade em miniatura de transistores e outros elementos semicondutores. Como os chips de computador são ra­gidos, os dispositivos eletra´nicos que eles alimentam, como nossos smartphones, laptops, rela³gios e televisaµes, são igualmente inflexa­veis.

Agora, um processo desenvolvido pelos engenheiros do MIT pode ser a chave para a fabricação de eletra´nicos flexa­veis com maºltiplas funcionalidades, de maneira econa´mica.

O processo échamado de "epitaxia remota" e envolve o crescimento de filmes finos de material semicondutor em uma bolacha grande e grossa do mesmo material, coberta por uma camada intermedia¡ria de grafeno. Depois que os pesquisadores desenvolvem um filme semicondutor, eles podem removaª-lo da bolacha coberta de grafeno e depois reutiliza¡-la, o que pode ser caro dependendo do tipo de material de que éfeito. Dessa maneira, a equipe pode copiar e remover qualquer número de filmes semicondutores finos e flexa­veis, usando a mesma bolacha subjacente.

Em um artigo publicado hoje na revista Nature , os pesquisadores demonstram que podem usar epitaxia remota para produzir filmes independentes de qualquer material funcional. Mais importante, eles podem empilhar filmes feitos com esses diferentes materiais, para produzir dispositivos eletra´nicos flexa­veis e multifuncionais.

Os pesquisadores esperam que o processo possa ser usado para produzir filmes eletra´nicos ela¡sticos para uma ampla variedade de usos, incluindo lentes de contato ativadas por realidade virtual, peles movidas a energia solar que se moldam aos contornos do seu carro, tecidos eletra´nicos que respondem ao clima, e outros eletra´nicos flexa­veis que atéagora pareciam ser o material dos filmes da Marvel.

"Vocaª pode usar essa técnica para misturar e combinar qualquer material semicondutor para ter a funcionalidade do novo dispositivo, em um chip flexa­vel", diz Jeehwan Kim, professor associado de engenharia meca¢nica do MIT. "Vocaª pode fabricar eletra´nicos de qualquer forma."

Os co-autores de Kim incluem Hyun S.Kum, Sungkyu Kim, Wei Kong, Kuan Qiao, Peng Chen, Jaewoo Shim, Sang-Hoon Bae, Chanyeol Choi, Luigi Ranno, Seungju Seo, Sangho Lee, Jackson Bauer e Caroline Ross do MIT , juntamente com colaboradores da Universidade de Wisconsin em Madison, Universidade de Cornell, Universidade da Virga­nia, Universidade Penn State, Universidade Sun Yat-Sen e Instituto de Pesquisa em Energia Ata´mica da Coranãia.

Tempo de compra

Kim e seus colegas relataram seus primeiros resultados usando epitaxia remota em 2017. Em seguida, eles conseguiram produzir filmes finos e flexa­veis de material semicondutor colocando primeiro uma camada de grafeno em uma bolacha espessa e cara, feita a partir de uma combinação de metais exa³ticos. Flua­ram a¡tomos de cada metal sobre a bolacha coberta de grafeno e descobriram que os a¡tomos formavam um filme sobre o grafeno, no mesmo padrãode cristal da bolacha subjacente. O grafeno forneceu umasuperfÍcie antiaderente a partir da qual os pesquisadores puderam descascar o novo filme, deixando a bolacha coberta de grafeno, que eles poderiam reutilizar. 

Em 2018, a equipe mostrou que poderia usar a epitaxia remota para produzir materiais semicondutores a partir de metais nos grupos 3 e 5 da tabela peria³dica, mas não no grupo 4. O motivo, eles descobriram, se reduziu a  polaridade ou a s respectivas cargas entre os a¡tomos fluindo sobre o grafeno e os a¡tomos na bolacha subjacente.

Desde essa conclusão, Kim e seus colegas tentaram várias combinações de semicondutores cada vez mais exa³ticas. Conforme relatado neste novo artigo, a equipe usou epitaxia remota para fazer filmes semicondutores flexa­veis a partir de a³xidos complexos - compostos químicos feitos a partir de oxigaªnio e pelo menos dois outros elementos. Sabe-se que a³xidos complexos possuem uma ampla gama de propriedades elanãtricas e magnanãticas, e algumas combinações podem gerar corrente quando esticadas fisicamente ou expostas a um campo magnanãtico.

Kim diz que a capacidade de fabricar filmes flexa­veis de a³xidos complexos pode abrir as portas para novos dispositivos que armazenam energia, como folhas ou revestimentos que se estendem em resposta a vibrações e produzem eletricidade como resultado. Atéagora, os materiais complexos de a³xido eram fabricados apenas em bolachas ra­gidas de mila­metro de espessura, com flexibilidade limitada e, portanto, potencial de geração de energia limitado.

Os pesquisadores tiveram que ajustar seu processo para fazer filmes complexos de a³xido. Eles descobriram inicialmente que, quando tentavam produzir um a³xido complexo, como o titanato de estra´ncio (um composto de estra´ncio, tita¢nio e três a¡tomos de oxigaªnio), os a¡tomos de oxigaªnio que flua­am sobre o grafeno tendiam a se ligar aos a¡tomos de carbono do grafeno, gravando-os pedaço s de grafeno em vez de seguir o padrãosubjacente da bolacha e se ligar com estra´ncio e tita¢nio. Como uma solução surpreendentemente simples, os pesquisadores adicionaram uma segunda camada de grafeno.

“Vimos que, quando a primeira camada de grafeno égravada, os compostos de a³xido já se formaram; portanto, o oxigaªnio elementar, uma vez formado esses compostos desejados, não interage com o grafeno”, explica Kim. "Então, duas camadas de grafeno levam algum tempo para que esse composto se forme."

Descasque e empilhe

A equipe usou seu processo recanãm-ajustado para fazer filmes a partir de maºltiplos materiais complexos de a³xido, descolando cada camada fina de 100 nana´metros conforme foi feita. Eles também foram capazes de empilhar camadas de diferentes materiais complexos de a³xido e cola¡-los efetivamente, aquecendo-os levemente, produzindo um dispositivo flexa­vel e multifuncional.

"Esta éa primeira demonstração de empilhamento de maºltiplas membranas finas como nana´metros, como blocos LEGO, o que foi impossí­vel porque todos os materiais eletra´nicos funcionais existem em uma forma de bolacha espessa", diz Kim.

Em um experimento, a equipe empilhou filmes de dois a³xidos complexos diferentes: ferrita de cobalto, conhecida por se expandir na presença de um campo magnanãtico, e PMN-PT, um material que gera tensão quando esticado. Quando os pesquisadores expuseram o filme multicamada a um campo magnanãtico, as duas camadas trabalharam juntas para expandir e produzir uma pequena corrente elanãtrica. 

Os resultados demonstram que a epitaxia remota pode ser usada para fabricar eletra´nicos flexa­veis a partir de uma combinação de materiais com diferentes funcionalidades, que antes eram difa­ceis de combinar em um dispositivo. No caso de ferrita de cobalto e PMN-PT, cada material possui um padrãocristalino diferente. Kim diz que as técnicas tradicionais de epitaxia, que cultivam materiais a altas temperaturas em uma bolacha, são podem combinar materiais se seus padraµes cristalinos coincidirem. Ele diz que, com epitaxia remota, os pesquisadores podem fazer vários filmes diferentes, usando bolachas diferentes e reutiliza¡veis, e depois empilha¡-las, independentemente do padrãocristalino.

"A grande figura deste trabalho éque vocêpode combinar materiais totalmente diferentes em um são lugar", diz Kim. "Agora vocêpode imaginar um dispositivo fino e flexa­vel feito de camadas que incluem um sensor, sistema de computação, bateria, canãlula solar, para que vocêpossa ter um chip empilhado flexa­vel, auto-alimentado e com a Internet das Coisas."

A equipe estãoexplorando várias combinações de filmes semicondutores e estãotrabalhando no desenvolvimento de prota³tipos, como algo que Kim estãochamando de "tatuagem eletra´nica" - um chip flexa­vel e transparente que pode se conectar e se adaptar ao corpo de uma pessoa para detectar e transmitir sem fio sinais vitais como temperatura e pulso.

"Agora podemos fabricar eletra´nicos finos, flexa­veis e vesta­veis com a mais alta funcionalidade", diz Kim. "Apenas descasque e empilhe."

A pesquisa foi resultado de uma estreita colaboração entre os pesquisadores do MIT e da Universidade de Wisconsin em Madison, que foi apoiada pela Agência de Projetos de Pesquisa Avana§ada de Defesa.

 

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