Traduzido de: Watching Crystals Grow May Lead to Faster
Electronic Devices

Uma pesquisa que pode melhorar a manufatura das películas finas e livres de defeitos, necessárias para a fabricação de semicondutores

21 de janeiro de 2010

Observe o crescimento de um cristal neste vídeo.

A busca por dispositivos eletrônicos mais rápidos esbarrou recentemente em um verdadeiro calombo. Os cientistas da Univesidade Cornell, Ithaca, N.Y., descobriram que as películas cristalinas finas e lisas para a fabricação de semicondutores, que são a base dos computadores modernos, podem ser feitas ainda mais lisas se controlarmos os rápidos movimentos aleatórios das partículas atômicas que afetam a maneira como os cristais crescem.

Segundo Charles Ying, diretor de programa da Divisão de Pesquisas de Materials da Fundação Nacional de Ciências (NSF), “O principal benefício de películas cristalinas lisas para dispositivos eletrônicos é que os elétrons podem ir de um lugar a outro dentro do dispositivo com um mínimo de disrupção. Isso, por sua vez, permite dispositivos eletrônicos mais rápidos e um menor consumo de energia”.

A pesquisa é parcialmente financiada pelo Centro Cornell de Pesquisa de Materiais, que tem o apoio da NSF. As descobertas estão sendo publicadas na edição online de hoje da  Science.

Liderados pelo professor assistente de física Itai Cohen da Cornell, os pesquisadores recriaram as condições de crescimento de um cristal camada por camada, usando partículas muito maiores do que átomos, porém pequenas o bastante ainda para se comportarem como átomos. Da mesma forma que se usa bolas de praia para modelar o comportamento da areia, os cientistas
usaram uma solução de pequenas esferas de plástico 50 vezes menores do que um fio de cabelo para reproduzir as condições que levam à cristalização na escala atômica. Com esta modelagem precisa, eles puderam observar como as camadas cristalinas crescem.

Usando um microscópio eletrônico, os cientistas puderam observar exatamente o que seus “átomos” – na verdade partículas de sílica de tamanho medido em mícrons, suspensas em um fluido – faziam ao se cristalizarem. Além disso, eles ainda foram capazes de manipular partículas individuais, uma de cada vez, e testar as condições que levam ao crescimento de uma película cristalina lisa.

“Essas partículas são grande e lentas o bastante para podermos ver o que acontece em tempo real”, explica o estudante de pós-graduação Mark Buckley. Com essa observação, os pesquisadores descobiram que os rápidos movimentos aleatórios de uma partícula são um fator chave que afeta o modo como os cristais crescem.

Enquanto alguns materiais crescem em cristais lisos, outros tendem a desenvolver calombos e defeitos – o que é um sério problema para a manufatura de películas finas. Os pesquisadores estão tentando melhorar o processo na escala atômica, mas a principal dificuldade para a fabricação de películas lisas é que os átomos frequentemente formam aleatoriamente pilhas, em lugar de se cristalizarem em finas películas.

Isto acontece porque , quando os átomos são depositados em um substrato, eles formam inicialmente pequenos cristais, chamdos “ilhas”. Quando se despeja mais átomos por cima desses cristais, os átomos tendem a ficar no topo das ilhas, em lugar de escorrerem pelas bordas. Isso cria os indesejados pontos ásperos e, segundo Cohen, se a ideia é criar uma película lisa, isso é “game over”.

A teoria convencional diz que os átomos que pousam no topo das ilhas sofrem um “puxão” energético dos outros átomos que os impede de rolar pelas bordas. No sistema usado na experiência, os pesquisadores eliminaram esse puxão, encurtando as ligações entre as partículas. No entanto, eles ainda observaram que suas partículas hesitavam nas bordas das ilhas.

Uma análise mais profunda, com o uso de pinças ópticas que manipulavam partículas individuais, permitiu aos pesquisadores medir quanto tempo as partículas levavam para sair das ilhas de cristal. Como as partículas estavam em suspensão em um fluido que as fazia se moverem, elas exibiam moviemtno browniano. Na medida em que as partículas se moviam e se difundiam de uma área para outra, os pesquisadores notaram que a distância que uma partícula tinha que percorrer para “cair” da borda de uma ilha era três vezes maior do que para se mover lateralmente de um ponto da ilha para outro. E, como essa distância tinha que ser percorrida em movimento browniano, o percurso podia ficar até nove vezes mais comprido até a “queda”. Essa diferença explica porque os pesquisadores ainda observavam uma “barreira” nas borda das ilhas.

Os átomos em uma película cristalina atômica se movem de uma maneira semelhante ao movimento browniano, uma vez que as vibrações do cristal subjacente, chamadas fonons, tendem a empurrá-los de cá para lá. Os pesquisadores supõem que, além das ligações interatômicas, esse movimento aleatório também possa contribuir para a barreira na borda das ilhas do cristal e, desta forma, para a aspereza da película de cristal.

“Se os princípios que descobrimos puderem ser aplicados na escla atômica, os cientistas serão capazes de controlar melhor o crescimento das finas películas usadas na manufatura de componentes para nossos computadores e celulares”, afirma Cohen.

Os autores do artigo são o antes doutor-associadohe Rajesh Ganapathy, agora membro do corpo docente do Centro Jawaharlal Nehru para Pesquisa Científica Avançada em Bangalore, Índia, assim como Sharon Gerbode e Mark Buckley, estudantes de pós-graduação no laboratório de Cohen na Cornell.

Além da NSF,
o trabalho foi finanaciado por King Abdullah University of Science and
Technology e Cornell Nanoscale Science and Technology Facility.