Desvendando a arquitetura de nanofios semicondutores
Andreia Hisi/ComCiência/Labjor/DICYT - Nanofios são pequenos fios cujos raios são menores que 100 nm (um nanômetro é igual à bilhonésima parte de um metro) e têm comprimento da ordem de alguns micrômetros (um micrômetro é igual à milionésima parte de um metro). Ou seja, no diâmetro de um cabelo humano podemos acomodar alguns milhares de nanofios. O processo de crescimento para nanofios semicondutores III-V (que têm esse nome porque são formados por um átomo da coluna III e um da V da tabela periódica, como gálio-arsênico, índio-arsênico, gálio-fósforo etc) foi melhor compreendido devido à descoberta dos pesquisadores da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp Luiz Tizei, Thalita Chiaramonte, Monica Cotta e Daniel Ugarte. Eles observaram que, durante o crescimento de nanofios semicondutores III-V, o elemento arsênico se difunde através da nanopartícula catalizadora. O estudo foi publicado na Nanotechnology (20, 275604), sendo intitulado “III-V Crescimento de Nanofios Semicondutores: o Arsênico Difunde Através de Nanopartículas Metálicas Catalisadoras?”.
A formação de nanofios semicondutores é um processo sofisticado: sobre um substrato de gálio-arsênico (uma “fatia” de um cristal) nanopartículas de ouro (10-50 nm) são dispersadas (os catalizadores); esse substrato é colocado dentro de uma câmara de vácuo e aquecido até aproximadamente 400 graus Celsius e, então, acrescenta-se um fluxo de átomos para dentro da câmara, que constituirão o material. Geralmente esses átomos do fluxo fixam-se na superfície do substrato, mas quando há a presença da nanopartícula de ouro esses átomos se difundem através do ouro e viajam até a interface com o semicondutor e fixam-se nesta região, a partir daí o nanofio cresce (como um pilar, com a nanopartícula no seu topo). “A análise detalhada da nanopartícula catalisadora ao trocar-se o elemento atômico durante o crescimento de um nanofio pode fornecer informações importantes sobre os processos que ocorrem através da nanopartícula e, em especial, as vias de incorporação do elemento atômico”, afirma Tizei.
A perspectiva de novas propriedades e sua potencial incorporação em dispositivos eletrônicos, como transistores, células solares, sensores e emissores de luz etc, têm atraído a atenção de muitos grupos de pesquisa pois ainda há muito à se entender e melhorar. “O funcionamento de dispositivos construídos a partir de nanoestruturas é fortemente influenciado pela qualidade das interfaces e pela homogeneidade desses materiais. Por esse motivo, a capacidade de caracterizar objetos nanoestruturados é fundamental para o desenvolvimento de novas tecnologias”, comenta Tizei.
Uma questão ainda em aberto e fundamental no que diz respeito à esse processo é o estado real (composição química, estado físico etc) das nanopartículas durante o crescimento. Isto é particularmente importante devido à existência de pouco conhecimento disponível sobre materiais em nanoescala. A caracterização dessas propriedades estruturais, bem como a composição química do nanofio, exprimem o grau de desenvolvimento alcançado no setor, tanto em infra-estrutura quanto em mão de obra especializada. Foram necessários equipamentos e capacitação restritos a poucos centros de pesquisa no mundo, como os microscópios eletrônicos de transmissão (TEM) e eletrônico de transmissão de varredura (STEM) do Laboratório de Microscopia Eletrônica do Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM). Esse tipo de análise requer a aplicação de técnicas avançadas de microscopia. “É necessário ter muita paciência, além do conhecimento físico fundamental que envolve a microscopia eletrônica, porque, em geral, os experimentos não dão certo na primeira vez ou dão certo apenas na primeira vez. É necessário também habilidades manuais para preparar a amostra e alinhar o microscópio. Mas o principal é ter curiosidade e capacidade de conectar diferentes informações para resolver os problemas”, conclui o pesquisador.