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De modo surpreendente, cientistas descobrem nova forma de obter material para indústria eletrônica

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

Nanofios de cobre, em imagem de microscopia eletrônica; para serem usados na indústria, nanofios passam por uma câmara de vácuo para remoção de impurezas; pesquisadores descobriram que oxigênio residual na câmara de vácuo oxida os nanofios, tornando-os inutilizáveis – Foto: Cedida pelos pesquisadores

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 humanidade e foi 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 a 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 à 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.”


Imagens de microscopia eletrônica de nanofios de cobre mostram os efeitos da limpeza a plasma em câmaras de vácuo; os nanofios, que inicialmente eram monocristalinos, sofreram oxidação (causada por oxigênio residual presente na câmara de vácuo), que levou a formação de policristais em escala nanométrica; degradação impede utilização nos nanofios em aplicações industriais, embora o óxido de cobre resultante da oxidação possa ser aproveitado – Foto: cedidas pelos pesquisadores

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”, apontam Tunes. “Esse tipo de degradação de nanomateriais os torna completamente inutilizáveis.”


Matheus Tunes: bombas de vácuo mais poderosas para remover oxigênio em câmaras de limpeza a  plasma- Foto: Arquivo pessoal

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.”

Diego Corradini: nanopartículas de óxido de cobre foram obtidas de forma mais acessível – Foto: Arquivo pessoal

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. 


Mais informações: email matheus.tunes@gmail.com, com Matheus Tunes


Fonte: Jornal da USP