Uma equipa de investigadores do Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais desenvolveu uma nova forma de produzir películas finas piezoeléctricas de alta qualidade sobre materiais isolantes a temperaturas relativamente baixas. De acordo com o site Neowin, o método designado por SFP-HiPIMS resolve um problema antigo na produção destas películas ao conseguir dar aos iões úteis a energia suficiente para melhorar o material enquanto limita a acção dos iões de árgon indesejados que o podem danificar. Estas películas são essenciais em componentes electrónicos como filtros de radiofrequência, sensores, actuadores e pequenos conversores de energia, uma vez que têm a propriedade especial de produzir uma carga eléctrica quando são deformadas e de mudar de forma quando lhes é aplicada uma tensão eléctrica.
O desafio dos materiais isolantes
O trabalho do laboratório baseou-se na pulverização catódica por magnetrão de impulso de alta potência, um processo de deposição física de vapor utilizado para criar revestimentos finos ao mover material de uma fonte sólida para outra superfície. Neste processo, é criado um plasma perto do alvo, onde os iões atingem o material e libertam átomos que viajam para formar a película. A técnica utiliza impulsos eléctricos curtos e de alta potência em vez de funcionar de forma contínua, o que faz com que muitos dos átomos libertados se tornem iões que podem ser acelerados. A energia destes iões ajuda os átomos recém-depositados a moverem-se pela superfície e a fixarem-se em melhores posições à medida que o cristal cresce. No entanto, surge um obstáculo quando a base é um material isolante como o vidro ou a safira, pois ao contrário de um material condutor, um isolador não permite aplicar facilmente uma tensão eléctrica à sua superfície.
Outro método existente pode acelerar iões em superfícies isolantes, mas acaba por acelerar também iões de árgon provenientes do plasma. Quando estes iões energéticos atingem a película em crescimento, alguns podem ficar presos no interior e alterar as propriedades do material. O investigador Sebastian Siol explica que uma pequena percentagem de árgon pode ser incorporada em revestimentos duros, o que representa um risco grave, dado que as películas finas piezoeléctricas operam frequentemente sob altas tensões e estas impurezas poderiam levar a uma falha eléctrica catastrófica.
A solução através do tempo e da chuva de electrões
Durante a sua investigação de doutoramento, Jyotish Patidar desenvolveu uma solução baseada na sincronização, tirando partido do facto de os diferentes iões no plasma não chegarem ao destino ao mesmo tempo. A maioria dos iões de árgon já se está a mover em direcção à base antes de os iões metálicos desejados terem deixado o alvo. A equipa descobriu uma forma de aplicar esta ideia em bases isolantes onde não é possível aplicar uma tensão externa. Durante cada impulso eléctrico, os electrões chegam ao destino muito mais depressa do que os iões mais pesados, criando o que os cientistas descrevem como uma chuva de electrões. Este fenómeno dá brevemente à base isolante uma carga eléctrica negativa, uma condição temporária que os investigadores utilizam para acelerar os iões metálicos desejados. Ao controlar cuidadosamente o tempo entre os impulsos, a equipa consegue dar mais energia aos iões úteis enquanto limita a energia dos iões de árgon.
Resultados promissores para a indústria
A equipa testou o método ao produzir películas finas de nitreto de alumínio e escândio em várias bases isolantes, tendo registado melhorias significativas na cristalinidade, na textura e na tensão residual do material. O método também permitiu o crescimento epitaxial em safira a temperaturas tão baixas como os cem graus Celsius, um processo onde a estrutura cristalina de uma camada recém-depositada segue a estrutura ordenada do cristal que se encontra por baixo. Os investigadores garantem que esta nova técnica pode ser utilizada com equipamento de deposição normal e adaptada a diferentes materiais. A capacidade de produzir películas de alta qualidade a baixas temperaturas poderá ser extremamente útil para empresas que fabricam componentes electrónicos e semicondutores sensíveis ao calor, abrindo novas portas para o futuro da tecnologia.
