p Usando uma técnica conhecida como nanolitografia termoquímica (TCNL), pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de fabricar estruturas ferroelétricas em escala nanométrica diretamente em substratos plásticos flexíveis que seriam incapazes de suportar as temperaturas de processamento normalmente exigidas para criar tais nanoestruturas. p A tecnica, que usa uma ponta de microscópio de força atômica (AFM) aquecida para produzir padrões, poderia facilitar a alta densidade, produção de baixo custo de estruturas ferroelétricas complexas para matrizes de coleta de energia, sensores e atuadores em sistemas nanoeletromecânicos (NEMS) e sistemas microeletromecânicos (MEMS). A pesquisa foi relatada em 15 de julho na revista. Materiais avançados .

p "Podemos criar materiais piezoelétricos diretamente na forma que desejamos, onde os queremos, em substratos flexíveis para uso na coleta de energia e outras aplicações, "disse Nazanin Bassiri-Gharb, co-autor do artigo e professor assistente da School of Mechanical Engineering do Georgia Institute of Technology. "Esta é a primeira vez que estruturas como essas cresceram diretamente com um processo compatível com CMOS em uma resolução tão pequena. Não apenas fomos capazes de fazer crescer essas estruturas ferroelétricas em baixas temperaturas de substrato, mas também conseguimos padronizá-los em escalas muito pequenas. "

p A pesquisa foi patrocinada pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA. Além dos pesquisadores da Georgia Tech, o trabalho também envolveu cientistas da University of Illinois Urbana-Champaign e da University of Nebraska Lincoln.

p Os pesquisadores produziram fios de aproximadamente 30 nanômetros de largura e esferas com diâmetros de aproximadamente 10 nanômetros usando a técnica de padronização. Esferas com potencial de aplicação como memória ferroelétrica foram fabricadas em densidades superiores a 200 gigabytes por polegada quadrada - atualmente o recorde para este material ferroelétrico do tipo perovskita, disse Suenne Kim, o primeiro autor do artigo e um pós-doutorado no laboratório da Professora Elisa Riedo na Escola de Física da Georgia Tech.

p Os materiais ferroelétricos são atraentes porque exibem respostas piezoelétricas geradoras de carga em uma ordem de magnitude maior do que as de materiais como nitreto de alumínio ou óxido de zinco. A polarização dos materiais pode ser facilmente e rapidamente alterada, dando-lhes aplicação potencial como elementos de memória de acesso aleatório.

p Mas os materiais podem ser difíceis de fabricar, exigindo temperaturas superiores a 600 graus Celsius para cristalização. As técnicas de gravação química produzem tamanhos de grãos tão grandes quanto os recursos em nanoescala que os pesquisadores gostariam de produzir, enquanto os processos de corrosão física danificam as estruturas e reduzem suas propriedades atrativas. Até agora, esses desafios exigiam que as estruturas ferroelétricas fossem cultivadas em um substrato de cristal único compatível com altas temperaturas, em seguida, transferido para um substrato flexível para uso na coleta de energia.

p O processo de nanolitografia termoquímica, que foi desenvolvido na Georgia Tech em 2007, aborda esses desafios usando aquecimento extremamente localizado para formar estruturas apenas onde a ponta AFM aquecida resistivamente entra em contato com um material precursor. Um computador controla a escrita AFM, permitindo que os pesquisadores criem padrões de material cristalizado onde desejado. Para criar estruturas de captação de energia, por exemplo, linhas correspondentes a nanofios ferroelétricos podem ser traçadas ao longo da direção em que a tensão seria aplicada.

p "O calor da ponta do AFM cristaliza o precursor amorfo para fazer a estrutura, "Bassiri-Gharb explicou." Os padrões são formados apenas onde ocorre a cristalização. "

p Para começar a fabricação, o material precursor sol-gel é primeiro aplicado a um substrato com um método de revestimento por rotação padrão, em seguida, aquecido brevemente a aproximadamente 250 graus Celsius para expulsar os solventes orgânicos. Os pesquisadores usaram poliimida, substratos de vidro e silício, mas em principio, qualquer material capaz de suportar a etapa de aquecimento de 250 graus pode ser usado. As estruturas foram feitas de Pb (ZrTi) O ₃ - conhecido como PZT, e PbTiO ₃ - conhecido como PTO.

p "Ainda aquecemos o precursor nas temperaturas necessárias para cristalizar a estrutura, mas o aquecimento é tão localizado que não afeta o substrato, "explicou Riedo, co-autor do artigo e professor associado da Georgia Tech School of Physics.

p As pontas de AFM aquecidas foram fornecidas por William King, um professor do Departamento de Ciência Mecânica e Engenharia da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

p Como uma próxima etapa, os pesquisadores planejam usar matrizes de pontas de AFM para produzir áreas padronizadas maiores, e melhore as pontas de AFM aquecidas para operar por longos períodos de tempo. Os pesquisadores também esperam entender a ciência básica por trás dos materiais ferroelétricos, incluindo propriedades em nanoescala.

p "Precisamos olhar para a termodinâmica de crescimento desses materiais ferroelétricos, "disse Bassiri-Gharb." Também precisamos ver como as propriedades mudam quando você se move da escala principal para a escala de mícron e depois para a escala nanométrica. Precisamos entender o que realmente acontece com as respostas extrínsecas e intrínsecas dos materiais nessas escalas pequenas. "

p Em última análise, matrizes de pontas de AFM sob controle do computador podem produzir dispositivos completos, fornecendo uma alternativa às técnicas de fabricação atuais.

p "A nanolitografia termoquímica é uma técnica de nanofabricação muito poderosa que, através do aquecimento, é como uma caneta em nanoescala que pode criar nanoestruturas úteis em uma variedade de aplicações, incluindo matrizes de proteínas, Matrizes de DNA, e nanofios semelhantes ao grafeno, "Riedo explicou." Estamos realmente resolvendo o problema causado pelas limitações existentes da fotolitografia nessas escalas de tamanho. Podemos imaginar a criação de um dispositivo completo com base na mesma técnica de fabricação, sem os requisitos de salas limpas caras e equipamentos à base de vácuo. Estamos avançando em direção a um processo em que várias etapas são realizadas usando a mesma ferramenta para padronizar em pequena escala. "