Nanotecnologia de filmes finos em HDs, smartphones e TVs

Adolfo Melo
06/02/2018

[1]
Não podemos negar que smartphones, computadores e TVs são de extrema importância para a população atual, sendo fontes de informações, pesquisas, trabalho, estudos, entretenimento e produção/consumo de conteúdo. Porém, o que normalmente não conhecemos são suas constituições químicas, os materiais e engenhosidades que fazem parte dessas tecnologias. Por exemplo, quais materiais são utilizados nos HDs, nos processadores, nas telas sensíveis ao toque, nos pixels de telas planas?

Para responder essas questões precisamos conhecer uma classe de materiais denominadas filmes finos. Quando um material é desenvolvido de tal forma que uma de suas dimensões possui ordem de 10-9 m (o famoso nanômetro – nm) podemos ter um filme fino, que não é nada mais que uma película cuja espessura possui alguns nanômetros. Em um artigo anterior, escrevi sobre nanotecnologia e uma técnica de produção de filmes finos [2].

Historicamente, foi a partir dos anos de 1960 que foi possível crescer filmes finos com alto grau de pureza, devido ao desenvolvimento da tecnologia de vácuo com bombas capazes de evacuar câmaras em até 10-10 atm (0,0000000001 atmosferas) [3]. Técnicas como sputtering, deposição por laser pulsado, deposição por arco-voltaico ou mesmo por evaporação química, puderam então ser desenvolvidas. A partir dessa época, diversas pesquisas foram realizadas utilizando crescimento de filmes finos de
– ligas de cobalto,
– semicondutores de silício (SiO2),
– óxido de índio e estanho (ITO – In2O3Sn),
– vidros dopados com íons de potássio, sódio e alumínio (constituintes básicos da marca Gorila Glass®).

Ligas de cobalto na forma de filmes finos (75-100 nm) têm sido desenvolvidos para armazenamento de dados em HDs de computadores [4]. Esse material comporta-se fisicamente de forma ferromagnética, ou seja, ao aplicar um campo magnético externo polarizado numa direção, induz uma orientação de momentos magnéticos do filme (semelhante a pequeninas agulhas de bússolas), e essa polarização permanece mesmo após a retirada do campo externo [5], o que nos permite guardar informações em códigos binários tendo a polarização (norte-sul) do filme como base.

As unidades de processamento de dados (chips processadores) utilizam, por outro lado, materiais baseados em silício, com adição de alguns íons em quantidades adequadas para gerar regiões eletricamente mais positivas e outras negativas no dispositivo. Em sua construção, entre as duas regiões citadas, tem-se uma camada neutra de Si para que, ao aplicar uma tensão elétrica, haja um controle entre estados mais ou menos condutores por migração de íons. Enfim, ocorre um controle “sim” ou “não” que dependendo de sua programação fará o sequenciamento de cálculos computacionais [6].

Para as telas sensíveis ao toque utiliza-se filmes finos de ITO (óxido de índio e estanho) que apresenta baixa resistência elétrica (~10 Ω/cm²) superficial, além de ter transparência de 90 % para a luz visível e espessura comum de 100 nm [7]. Em outras palavras o ITO é um condutor transparente. Porém existem alguns problemas, o índio é razoavelmente tóxico e a maior parte do minério de índio está localizado na China, o que deixa a fabricação das telas consideravelmente mais caras [7]. Diversos pesquisadores têm disposto muitos esforços para desenvolver novos materiais condutores e transparentes, algumas alternativas são: filmes finos de óxido de zinco contendo alumínio em sua estrutura [8], ou nióbio (abundante no Brasil). Vale ressaltar ainda que filmes finos de ITO podem ser utilizados como eletrodos de pixels de monitores e TVs de tela plana, bem como ser usados em células solares [7].

Recobrindo as telas sensíveis ao toque está um tipo especial de vidro na qual possuem em sua composição, potássio, sódio e alumínio, dentre outros metais. Durante a produção de tais vidros é necessário que esses diversos metais se posicionem em sítios específicos na rede cristalina do SiO2, de tal modo que resulta em alta resistência contra riscos, trincas e tornem os smartphones mais fortes contra impactos na tela [9].

Tendo em vista a baixa dimensionalidade dos filmes finos, estamos diante de uma era em que podemos construir dispositivos cada vez menores e funcionais. No entanto, há ainda muito chão pela frente para descobrirmos todas as nuances e funcionalidades que os filmes finos possam nos proporcionar tecnologicamente a médio e longo prazo.

[1] Crédito da imagem: University of Minnesota. https://twin-cities.umn.edu/news-events/new-thin-transparent-film-could-improve-electronics-and-solar-cells.

[2] Adolfo Melo. Sputtering: uma técnica para produção de nanotecnologia. Saense. http://www.saense.com.br/2017/12/sputtering-uma-tecnica-para-producao-de-nanotecnologia/. Publicado em 28 de dezembro (2017).

[3] JJ Yang et al. Memristive devices for computing. Nature Nanotechnologies 10.1038/nnano.2012.240 (2013).

[4] J Aboaf et al. Magnetic Properties and Structure of Cobalt Platinum Thin Films. IEEE Transactions on Magnetics 10.1109/TMAG.1983.1062575 (1983).

[5] AP Guimarães. Magnetismo e Ressonância Magnética em Sólidos. Edusp (2009).

[6] SM Rezende. Materiais e Dispositivos Eletrônicos. Editora Livraria da Física (2004).

[7] AHN Melo et al. Structural, Optical, and Electrical Properties of ZnO/Nb/ZnO Multilayer Thin Films. Adv Mat Res 10.4028/www.scientific.net/AMR.975.238 (2014).

[8] V Devi et al. Structural, optical and electronic structure studies of Al doped ZnO thin films. Superlattices Microstruct 10.1016/j.spmi.2015.03.047 (2015).

[9] How it’s Made. Corning Gorilla Glass. https://www.corning.com/gorillaglass/worldwide/en/technology/how-it-s-made.html. Acesso em 02 de fevereiro (2018).

Como citar este artigo: Adolfo Melo. Nanotecnologia de filmes finos em HDs, smartphones e TVs. Saense. http://www.saense.com.br/2018/02/nanotecnologia-de-filmes-finos-em-hds-smartphones-e-tvs/. Publicado em 06 de fevereiro (2018).

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Doutorando em Física na Universidade Federal do Sergipe. Escreve sobre Nanotecnologia no Saense.

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