p Os pesquisadores europeus combinaram a modelagem computacional da mecânica quântica e os processos de fabricação de precisão para criar novos óxidos condutores transparentes feitos sob encomenda para uma ampla gama de aplicações científicas e de consumo. p Imagine especificar exatamente como você deseja que um novo material se comporte, entregando essas especificações a um engenheiro, e receber de volta um material totalmente novo com exatamente as qualidades de que você precisa.

p Isso é o que o projeto financiado pela UE NATCO (para novos óxidos condutores transparentes avançados) se propôs a fazer. Eles projetaram e desenvolveram novos óxidos condutores transparentes (TCOs) para especificações exatas, aplicando a mecânica quântica para prever as propriedades ópticas e eletrônicas de um material, fabricando-o, e verificar seus resultados experimentalmente.

p Os resultados? TCOs completamente novos com uma ampla gama de aplicações potenciais em sensores, células solares, janelas inteligentes, e dezenas de outros científicos, produtos comerciais e de consumo.

p “No campo da optoeletrônica, há uma grande necessidade de encontrar materiais melhores e menos caros, ”Diz Guy Garry, coordenador do projeto NATCO. “O caminho que percorremos foi primeiro fazer cálculos para encontrar a melhor forma de obter as propriedades de que precisávamos. Quando fabricamos esses materiais, descobrimos que suas propriedades eram as mesmas que havíamos calculado. ”

p Este processo de projeto racional - usando os primeiros princípios para calcular a condutividade e transparência de novos materiais antes de fabricá-los - permitiu aos pesquisadores desenvolver novos TCOs com desempenho aprimorado de forma rápida e eficiente.

p “Conseguimos fazer esses cálculos muito rapidamente, o que nos permitiu aprimorar as propriedades existentes e encontrar novas propriedades, ”Diz o Dr. Garry.

p Novo material optoeletrônico

p TCOs - materiais que combinam transparência e condutividade, qualidades que geralmente não são encontradas juntas - têm várias aplicações. Como sensores, fotovoltaica, dispositivos emissores de luz e filmes controláveis ​​eletronicamente, eles são encontrados em instrumentos científicos, DVDs, câmeras digitais, celulares, monitores de computador e centenas de outros produtos.

p Até recentemente, a maioria dos TCOs dependia de um material chamado ITO, um óxido de índio dopado - ligeiramente modificado - pela adição de uma pequena quantidade de estanho. ITOs provaram ser úteis, mas, Dr. Garry diz, sofrem de duas desvantagens. A transparência deles não é muito boa, especialmente na faixa do infravermelho próximo, e o índio é escasso e muito caro.

p A equipe NATCO decidiu explorar um material completamente diferente, cuprato de estrôncio dopado com quantidades variáveis ​​de bário. Cobre, O bário e o estrôncio são muito mais abundantes e menos caros do que o índio.

p Cálculos extensivos aplicando a mecânica quântica previram que, por dopagem de cuprato de estrôncio com uma pequena porcentagem em peso de bário, os pesquisadores poderiam criar precisamente os materiais que desejavam, combinando boa condutividade elétrica e transparência óptica.

p Fabricar os novos materiais foi um desafio. No início, os materiais foram fabricados na forma de cerâmica a granel e, em seguida, para aplicações reais, camadas finas foram depositadas em substratos adequados.

p No fim, os pesquisadores se estabeleceram em duas técnicas de deposição - deposição por laser pulsado (PLD) e deposição química orgânica de metal (MOCVD).

p No PLD, uma explosão de luz laser vaporiza o material a ser depositado, criando uma película fina em uma superfície de vidro ou silicone. Permite um controle preciso, mas não pode ser usado em grandes superfícies.

p O MOCVD usa química orgânica para criar gases que depositam o material desejado em uma superfície. É um procedimento mais complicado, mas tem a vantagem de poder ser ampliado para revestir grandes superfícies.

p Depois de fabricar os materiais, os pesquisadores puderam testar o quão bem suas propriedades elétricas e ópticas correspondiam aos valores previstos. “Esta foi a primeira vez que esse tipo de trabalho foi feito em TCOs, ”Diz o Dr. Garry.

p Vários aplicativos em andamento

p Hoje, uma das aplicações mais promissoras dos novos TCOs da NATCO é na área de biossensores extremamente sensíveis. Esses dispositivos, com o título tortuoso de Sensores de espectroscopia de modo de luz de guia de ondas ópticas Elecro-Chemical, são fabricados pelo parceiro do consórcio húngaro MicroVacuum. Eles funcionam medindo como a luz é curvada ao passar por uma camada guia de onda ótica muito fina.

p Quando as moléculas alvo se ligam à superfície do detector, eles mudam o índice de refração do TCO, que por sua vez muda como a luz passa pelo guia de ondas. A aplicação de um campo elétrico variável através da camada fornece mais informações sobre as moléculas.

p “Obtivemos resultados muito bons nesses dispositivos usando nossos materiais de cuprato de estrôncio, ”Diz o Dr. Garry. Ele prevê uma ampla gama de aplicações para esses sensores, especialmente na área de proteômica.

p Os parceiros comerciais e acadêmicos do projeto estão buscando outras aplicações para os TCOs de designer da NATCO, incluindo células solares mais eficientes, janelas inteligentes, novas fontes de luz, e materiais para modular a luz laser.

p Para o Dr. Garry, os resultados da modelagem de primeiros princípios do projeto e abordagem de fabricação de precisão são tão encorajadores que ele planeja aplicá-los a problemas mais desafiadores.

p “Gostaríamos de usar este caminho para estudar materiais mais complicados, " ele diz. "Por exemplo, olhar para ferroeletricidade para ver por que alguns materiais com a mesma estrutura são ferroelétricos e outros não. ”