Nosso dia a dia está tão repleto de eletrônicos que mal os notamos. Quando pegamos casualmente nosso smartphone, raramente pensamos na complexidade desse dispositivo. Centenas de minúsculos componentes trabalham juntos dentro dele — cada um deles uma obra-prima da engenharia de alta precisão.

Esses componentes raramente notados incluem filtros de radiofrequência (RF). Eles garantem que um dispositivo receba apenas os sinais corretos, seja via Wi-Fi ou redes móveis. Todo dispositivo que se comunica sem fio contém esses filtros. Eles geralmente são baseados em filmes finos piezoelétricos. Os materiais piezoelétricos têm uma característica especial: eles geram cargas elétricas quando deformados e, em troca, mudam de forma quando uma tensão elétrica é aplicada.

Além dos filtros de RF, filmes finos piezoelétricos são usados em muitos outros componentes em microeletrônica, seja como sensores, atuadores ou minúsculos conversores de energia. Outras aplicações, como tecnologias quânticas, são objeto de pesquisas em andamento.

No entanto, uma coisa é clara: para que essas películas finas cumpram sua função, elas precisam ser de altíssima qualidade. Dependendo da composição e da função da película fina, isso exige diferentes processos de fabricação.

Pesquisadores do laboratório de Ciência de Superfícies e Tecnologias de Revestimentos da Empa desenvolveram um novo processo de deposição para filmes finos piezoelétricos. A novidade: o método permite a produção de camadas de alta tecnologia com altíssima qualidade em substratos isolantes e a temperaturas relativamente baixas — uma inovação na área.

Os pesquisadores publicaram seus resultados na revista Nature Communications e solicitaram uma patente para o processo.

Os pesquisadores utilizaram uma técnica comum chamada HiPIMS — abreviação de pulverização catódica por impulso de alta potência (high power impulse magnetron sputtering) — como ponto de partida. A pulverização catódica por impulso de alta potência (high power impulse magnetron sputtering) é um processo de revestimento no qual o material é depositado a partir de um material precursor sólido — o alvo — sobre o componente a ser revestido — o substrato . Para isso, um plasma de gás de processo é acionado no alvo.

Os íons do gás de processo — geralmente argônio — são então disparados contra o alvo, eliminando átomos que, em seguida, pousam no substrato para formar a película fina desejada. Muitos materiais podem ser usados ??como alvos. Para aplicações piezoelétricas, metais são comumente usados, frequentemente com a adição de nitrogênio para produzir nitretos, como o nitreto de alumínio.

O HiPIMS funciona quase da mesma maneira — exceto que o processo não ocorre continuamente, mas em pulsos curtos e de alta energia. Isso não significa apenas que os átomos-alvo ejetados viajam mais rápido, como muitos deles também são ionizados em seu caminho através do plasma. Isso torna o processo interessante para pesquisa.

Ao contrário dos átomos neutros, os íons podem ser acelerados, por exemplo, aplicando-se uma voltagem negativa ao substrato. Nos últimos 20 anos, aproximadamente, essa abordagem tem sido usada para produzir revestimentos rígidos, com as altas energias resultando em camadas especialmente densas e duráveis.

No entanto, até o momento, esse processo não era viável para filmes finos piezoelétricos. Isso ocorre porque a aplicação de uma voltagem ao substrato acelera não apenas os íons alvo formadores do filme, mas também os íons argônio do gás de processo. Esse bombardeio de argônio deve ser evitado.

"Às vezes, uma porcentagem significativa de argônio pode ser incorporada em revestimentos rígidos", diz Sebastian Siol, pesquisador do Empa. "Películas finas piezoelétricas frequentemente operam sob altas tensões. Nesse caso, essas impurezas podem levar a uma pane elétrica catastrófica."

No entanto, a equipe de Siol acreditava no potencial do HiPIMS para filmes finos piezoelétricos. A alta energia com que os íons voam em direção ao substrato é extremamente vantajosa. Se o íon atingir o substrato com energia suficiente, ele permanece móvel por um curto período e pode encontrar uma posição ideal na rede cristalina em crescimento. Mas o que pode ser feito com as inclusões indesejadas de argônio?

Durante sua tese de doutorado , Jyotish Patidar desenvolveu uma solução inteligente. Nem todos os íons chegam ao alvo ao mesmo tempo. A maioria dos íons de argônio está localizada no plasma, à frente do alvo. Isso significa que eles frequentemente chegam ao substrato antes dos íons alvo, que primeiro precisam ser removidos do alvo e, em seguida, percorrer toda a distância até o substrato.

A inovação de Patidar estava no timing. "Se aplicarmos a voltagem ao substrato exatamente no momento certo, aceleramos apenas os íons desejados", explica Siol.

Os íons de argônio já passaram por esse ponto e, sem a aceleração adicional, eles têm muito pouca energia para serem incorporados ao filme em crescimento.

Usando esse truque, os pesquisadores conseguiram produzir filmes finos piezoelétricos de alta qualidade com HiPIMS pela primeira vez — com um desempenho equivalente ou até melhor em comparação aos métodos convencionais.

Agora vinha o próximo desafio: dependendo da aplicação específica, filmes finos precisam ser produzidos em substratos isolantes, como vidro ou safira. No entanto, se o substrato não for condutor, nenhuma tensão poderá ser aplicada a ele. Embora já exista um método na indústria para acelerar os íons, isso frequentemente leva à formação de inclusões de argônio na camada.

Foi aí que os pesquisadores da Empa alcançaram um avanço. Para acelerar os íons sobre o substrato isolante, eles usaram o próprio pulso do magnetron — o impulso curto que dispara os íons do gás de processo em direção ao alvo.

O plasma na câmara contém não apenas íons, mas também elétrons. Cada pulso do magnetron acelera automaticamente essas partículas elementares carregadas negativamente sobre o substrato. Os minúsculos elétrons atingem o alvo muito mais rápido do que os íons muito maiores.

Normalmente, esse "chuveiro de elétrons" não é relevante para o processo HiPIMS. No entanto, quando os elétrons chegam ao substrato, por uma fração de segundo, eles lhe conferem uma carga negativa — o suficiente para acelerar os íons.

Se os pesquisadores dispararem um pulso de magnetron subsequente no intervalo de tempo exato, o chuveiro de elétrons acelera os íons-alvo que iniciaram sua trajetória durante o pulso anterior. E, claro, o tempo também pode ser ajustado para que apenas os íons certos acabem na película fina.

Os resultados são impressionantes: "Com nosso método, conseguimos produzir filmes finos piezoelétricos em substratos isolantes tão bem quanto em substratos condutores", resume Siol.

Os pesquisadores batizaram o processo de HiPIMS de Potencial Flutuante Sincronizado, ou SFP-HiPIMS, abreviado. A grande vantagem: com o SFP-HiPIMS, filmes finos piezoelétricos podem ser produzidos com altíssima qualidade e em baixas temperaturas. Isso abre novas possibilidades para a produção de chips e componentes eletrônicos, que muitas vezes não suportam altas temperaturas.

A técnica de isolamento de substratos é particularmente importante para a indústria de semicondutores : "Muitas ferramentas de produção na indústria de semicondutores são projetadas de tal forma que não há sequer a possibilidade de aplicar uma tensão elétrica ao substrato", diz Siol.

Na próxima etapa, ele pretende trabalhar no desenvolvimento de filmes finos ferroelétricos com sua equipe, outra tecnologia fundamental na eletrônica atual e futura.

Com base nesse sucesso, os pesquisadores do Empa também estão iniciando diversas colaborações com outras instituições de pesquisa para levar seus filmes finos a aplicações que vão da fotônica às tecnologias quânticas. E, por fim, eles querem otimizar ainda mais o processo inovador com a ajuda de aprendizado de máquina e experimentos de alto rendimento.