p Desde o início da civilização, os humanos exploraram novos materiais para melhorar suas vidas, da Idade da Pedra pré-histórica, Idade do Bronze, e a Idade do Ferro à moderna Idade do Silício. A cada período, surgiram avanços tecnológicos que transformaram a maneira como vivemos. Considere a invenção do chip de silício em 1961, que pavimentou o caminho para a revolução digital. Sem este minúsculo componente eletrônico, não teríamos laptops ou telefones celulares. p Enfrentar os desafios de hoje também exigirá avanços materiais. Por exemplo, como fazemos painéis solares que convertem a luz do sol em eletricidade com mais eficiência? Baterias que duram mais? Dispositivos eletrônicos cada vez menores? Os cientistas estão buscando soluções para essas mesmas questões por meio da engenharia e da ciência dos materiais. Eles estão melhorando o desempenho dos materiais existentes e criando novos materiais com propriedades incomparáveis.

p Na última década, cientistas do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) se estabeleceram como líderes nessa área. Em particular, eles estão desenvolvendo um novo método para fazer materiais:síntese de infiltração.

p Como o próprio nome sugere, a síntese de infiltração envolve infiltração, ou infundindo, um material em outro. Ao infundir um material inorgânico (não contendo carbono) em um material orgânico (contendo carbono), pode-se gerar um material "híbrido" com propriedades não vistas em nenhum dos componentes iniciais. As espécies orgânicas podem ser filmes finos de polímero, polímeros padronizados em uma forma geométrica particular usando uma fonte de luz ou feixe de elétrons (uma técnica conhecida como litografia), polímeros auto-montados a partir de dois ou mais "blocos" quimicamente distintos (copolímero em bloco), ou mesmo estruturas de DNA automontadas. A infiltração ocorre quando a matriz orgânica é exposta a gás contendo inorgânicos ou precursores líquidos (materiais de partida) em uma ordem alternada.

p Ao colocar o material híbrido sob plasma de oxigênio (um gás eletricamente carregado) ou em um ambiente de oxigênio de alta temperatura, os cientistas também podem remover seletivamente o componente orgânico. A parte inorgânica fica para trás e herda o padrão orgânico "template", que é útil para criar nanoestruturas inorgânicas e integrá-las em dispositivos eletrônicos.

p "Abordagens convencionais baseadas em química pura, como síntese química, são complexas, "explicou Chang-Yong Nam, um cientista do CFN Electronic Nanomaterials Group que está liderando a pesquisa de síntese de infiltração. "Não há garantia de que você vai acabar com as propriedades que você almejou. E criar recursos muito pequenos - que são importantes para fazer dispositivos eletrônicos - é difícil. A síntese de infiltração resolve esses problemas, e as ferramentas necessárias estão prontamente disponíveis em qualquer instalação de nanofabricação. "

p Nam, Colegas CFN, e colaboradores externos têm demonstrado como a síntese de infiltração pode ser usada para criar uma série de novos materiais funcionais, permitindo uma ampla variedade de aplicações.

p Em 2015, eles usaram síntese de infiltração e litografia para padronizar nanofios inorgânicos - estruturas em forma de fio com uma largura da ordem de bilionésimos de um metro - em um transistor. Este estudo foi o primeiro a mostrar que a técnica poderia ser usada para padronizar um dispositivo eletrônico. Estendendo este conceito inicial, eles fizeram arranjos de nanofios perfeitamente alinhados em fotodetectores altamente sensíveis de luz ultravioleta (UV). Para aumentar ainda mais a sensibilidade, eles converteram os padrões de copolímero em bloco de automontagem empilhados em uma arquitetura 3D "nanomesh". A grande área de superfície e poros habilitados por esta geometria em camadas 3D permitiu a colocação de muitos mais elementos de detecção de nanofios.

p Essa combinação de automontagem de copolímero em bloco e síntese de infiltração também possibilitou várias inovações por outras equipes de pesquisa do CFN. Por exemplo, uma equipe usou a técnica para texturizar a superfície das células solares de silício com nanoestruturas em forma de cone. Estruturas minúsculas semelhantes cobrem os olhos das mariposas para evitar o reflexo da luz, e os cientistas demonstraram este efeito anti-reflexo nas células solares nanotexturadas, bem como em superfícies de "vidro invisível". Quando a luz atinge uma célula solar, você deseja minimizar a reflexão (ou alternativamente, maximizar a absorção) para que a energia solar possa ser eficientemente convertida em eletricidade. E para telas de exibição em computadores, celulares, e outros eletrônicos, você deseja eliminar o reflexo da luz para evitar o brilho.

p Seguindo esses estudos em materiais inorgânicos, os cientistas começaram a explorar as propriedades de materiais híbridos orgânico-inorgânicos, também gerados pela síntese de infiltração. Por exemplo, eles criaram "nanopilares" híbridos exibindo a alta resistência de um metal e a baixa rigidez de espuma. Com esta rara combinação de propriedades mecânicas, o material pode armazenar e liberar uma quantidade sem precedentes de energia elástica, tornando-o útil para dispositivos que requerem molas ultra-pequenas, alavancas, ou motores, como acelerômetros, ressonadores, e músculos artificiais biossintéticos.

p Os cientistas também mostraram como os híbridos podem servir como revestimentos ópticos que refletem comprimentos de onda específicos da luz; sensores de oxigênio e água altamente sensíveis; fotoresistentes para a transferência de recursos ultrapequenos para o silício para microeletrônica de última geração; revestimentos completos em nanopartículas individuais para marcação e rastreamento de células em imagens biológicas; e agentes de contraste para visualizar a geometria complexa de copolímeros de blocos 3D.

p "O surpreendente sobre a síntese de infiltração é a sintonia, "disse Kevin Yager, líder do Grupo de Nanomateriais Eletrônicos CFN. "Você pode discar com muita precisão as propriedades desejadas do material, selecionando o infiltrante correto e o nível de carregamento correto. Isso permite que você direcione uma grande variedade de aplicações e otimize o material para cada tarefa específica."

p Mais recentemente, os cientistas têm estudado a adequação de suas resistências híbridas para litografia ultravioleta (EUV). As empresas de tecnologia de semicondutores estão usando essa técnica emergente para reduzir os transistores - os blocos de construção de componentes eletrônicos como unidades de processamento central (CPUs) e memória de acesso aleatório (RAM) - abaixo de cinco nanômetros. A redução das dimensões dos recursos permitirá a fabricação de dispositivos eletrônicos com maior velocidade de processamento e menor consumo de energia. Apesar da promessa de litografia EUV, vários desafios permanecem, incluindo a necessidade de resistências de alta sensibilidade.

p "A litografia EUV requer resinas que podem absorver uma grande quantidade de luz EUV, e os materiais orgânicos normalmente não têm essa capacidade, "explicou Nam." A infiltração de uma espécie inorgânica no componente orgânico pode melhorar a capacidade de absorção. "

p Embora muitos grupos estejam agora desenvolvendo tecnologias de resistência, falta uma compreensão de nível fundamental da química da infiltração e do processo de exposição do EUV nas resinas. Nam e sua equipe começaram a estudar esse mecanismo em suas resistências híbridas por meio de litografia de feixe de elétrons e microscopia eletrônica de baixa energia no CFN e espectroscopia de espalhamento e absorção de raios-X nas interfaces de matéria macia (SMI) e espectroscopia suave e tenra (STT ) linhas de luz da fonte de luz síncrotron nacional II de Brookhaven. They are also exploring the EUV exposure characteristics and patterning performance of the hybrid resists at the Microfield Exposure Tool (MET) beamline—a private EUV beamline sponsored by leading semiconductor companies, including Intel Corporation and Samsung Electronics—of Lawrence Berkeley National Lab's Advanced Light Source. Their preliminary results provided important feedback on how to optimize the infiltration chemistry and method for enhanced EUV sensitivity.

p The team is also making a hybrid-based neuromorphic switching device, which models the way the brain computes and transmits information. In initial demonstrations, their hybrid structure showed potential in mimicking the action of brain synapses, or the connections between neurons. They also found that the hybridization significantly reduced device-to-device performance variability, which is critical for creating practical, large-scale neuromorphic device arrays. Such brain-inspired computing would offer significant leaps in energy efficiency and processing speed for artificial intelligence tasks such as learning, searching, and sensing.

p "Moving forward, there's still a lot we can do with infiltration synthesis, " said Nam. "We're excited to continue exploring its diverse applications for next-generation micro- and nanoelectronics and energy technologies, with the hope of contributing to the transformation of our future society."