Cientistas descobrem nova forma de obter material para indústria eletrônica

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Técnica de remoção de impurezas inutiliza nanofios de cobre, mas gera material empregado em componentes eletrônicos

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Imagem de Hush Naidoo no Unsplash

Uma pesquisa sobre a degradação de nanofios de cobre empregados em dispositivos eletrônicos, com participação da Escola Politécnica (Poli) da USP, teve resultados surpreendentes. Os pesquisadores analisaram o material depois de ter passado por uma câmara de vácuo para remoção de impurezas e descobriram que a presença residual de oxigênio provoca a oxidação dos nanofios, tornando-os inutilizáveis. No entanto, a oxidação se revelou uma maneira mais eficiente de obter nanopartículas de óxido de cobre, um material semicondutor usado nas indústrias da área de eletrônica.

Os resultados do trabalho são descritos no artigo Degradation of Cu nanowires in a low-reactive plasma environment, publicado na revista cientifica NPJ Materials Degradation, em 5 de novembro.

“A pesquisa analisou o comportamento metalúrgico de nanofios de cobre em um ambiente de plasma de baixa-reatividade, ou seja, com baixa concentração de oxigênio, responsável por ativar mecanismos de degradação nesse metal na escala macroscópica, como, por exemplo, a oxidação”, afirmam ao Jornal da USP o físico Matheus Tunes e o engenheiro Diego Coradini, que lideraram a pesquisa. “Esse tipo de plasma é amplamente usado na limpeza de impurezas orgânicas nas superfícies de dispositivos eletrônicos em escala microscópica, o que é fundamental nas etapas de processamento, mas a ideia era investigar o seu efeito em nanomateriais” diz o físico.

De acordo com os pesquisadores, o cobre é um dos metais mais importantes para a humanidade e foi o primeiro a ser usado ativamente por meio da metalurgia, o que originou as primeiras ligas metálicas (bronze e latão) por volta de 5.000 anos antes de Cristo. “Por ser um metal de importância histórica para o ser humano e atualmente ser amplamente aplicado na indústria eletroeletrônica, é fundamental demonstrar a viabilidade da manipulação do cobre em escala nanométrica, seja por meio de nanofios ou nanopartículas”, destaca. “Isso se deve ao fato de que o cobre é um bom condutor de eletricidade e é de baixo custo quando comparado, por exemplo, ao ouro e à prata.”

A limpeza a plasma é um processo usado para limpeza de superfícies de metais e componentes eletrônicos. “Ela consiste na exposição do equipamento a um plasma de gás inerte (no estudo foi usado o argônio) e não acelerado, dentro de uma câmara a vácuo”, relatam os pesquisadores. Inicialmente, os nanofios de cobre foram submetidos a uma câmara de plasma para limpeza de impurezas orgânicas em suas superfícies. “Esse é um procedimento corriqueiro e necessário para realização de experimentos detalhados de microscopia eletrônica de transmissão com o intuito de evitar contaminação.”

Oxidação surpreendente

Segundo os cientistas, quando os nanofios foram colocados no microscópio eletrônico de transmissão, eles estavam completamente destruídos. “Inicialmente os nanofios eram monocristalinos”, contam. “Após a exposição ao plasma, foi observada a formação de policristais em escala nanométrica. Isso foi motivo de muita surpresa e gerou intensa discussão entre todos os envolvidos na pesquisa.”

Os pesquisadores detectaram que a degradação dos nanofios de cobre deve-se à presença residual de oxigênio na câmara de vácuo. “Como os nanofios possuem maior superfície que volume, reações de recombinação de oxigênio são facilitadas em sua superfície, liberando uma grande quantidade de energia térmica, suficiente para derreter localmente o material, resultando na formação de óxido de cobre, detectado por meio de microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de raios-X por dispersão de energia”, aponta Tunes. “Esse tipo de degradação de nanomateriais os torna completamente inutilizáveis.”

Apesar dos danos causados aos nanofios, a pesquisa descobriu que a degradação pode ser uma maneira mais eficiente de se produzir nanopartículas de óxido de cobre, que é um material semicondutor usado como diodo retificador (componente que conduz corrente elétrica em baixa frequência, usado em dispositivos eletrônicos). “As técnicas atuais para produção dessas nanopartículas são extremamente complexas e exigem equipamentos que utilizam altos níveis de vácuo ou reações químicas complexas. Logo, são processos caros”, salientam os pesquisadores. “No estudo, entretanto, a formação de nanopartículas foi observada em uma câmara com níveis de vácuo bastante reduzidos e sem qualquer tipo de aquecimento além do causado pela liberação de energia através da reação de recombinação do oxigênio.”

Os cientistas fazem a ressalva de que, para evitar a degradação, o uso de bombas de vácuo mais poderosas é necessário para a remoção do oxigênio residual do sistema. “O que se conhece sobre limpeza a plasma para macromateriais não se aplica aos nanomaterais, o que demanda mais estudos científicos no tema”, diz o físico. “No futuro, os nanomateriais serão amplamente aplicados nas indústrias eletrônicas com o objetivo de diminuir significativamente o tamanho de dispositivos eletrônicos sem penalizar a eficiência, em áreas como a indústria aeroespacial, além do uso de nanopartículas na produção de medicamentos.”

A pesquisa teve a participação de Diego S. R. Corradini, Matheus A. Tunes, Thomas M. Kremmer e do professor Stefan Pogatscher, da Montanuniversität Leoben (MUL), na Áustria, e dos professores Cláudio Schön, da Poli, e Peter Uggowitzer, do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça.


Por Redação | Jornal da USP

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