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Cientistas descobrem como pequenos
defeitos causam estragos
Do Instituto Max Planck
Muitos materiais perdem as propriedades úteis assim que suas
dimensões caem abaixo de certo limite. Esse chamado efeito tamanho,
cujas origens podem variar muito, pode ser um empecilho para a
miniaturização de componentes eletrônicos, eletromecânicos e
eletroópticos. Para uma classe de materiais especialmente promissora,
os óxido ferrelétricos, pesquisadores do Instituto Max Planck de Física
de Microestruturas identificaram uma nova origem do efeito tamanho:
pequenos defeitos lineares, com extensão de menos de um décimo de
nanômetro, podem deformar um tubo de material com corte retangular de
cerca de 4 por 8 nanômetros. Essa deformação é tão grave que as
propriedades ferrelétricas úteis do material são destruídas no
interior do tubo. Essa nova descoberta mostra que a formação desses
defeitos deve ser evitada para que os óxido ferrelétricos de dimensões
nanométricas sejam usados como elementos de memória em futuros
componentes eletrônicos. ("Nature Materials", Advanced
Online Publication, 18 de janeiro de 2004).
As exigências cada vez maiores de miniaturização e eficiência de
componentes eletrônicos resultam em esforços para incorporar novos
materiais à microeletrônica baseada em silício, para superar os
limites físicos dos materiais clássicos. Esses novos materiais devem
ser empregados desde o início com dimensões espaciais muito
reduzidas. Em geral, as dimensões são da ordem de nanômetros a
dezenas de nanômetros. Um nanômetro é um milionésimo de 1 milímetro.
Na escala nanométrica, as propriedades da maioria dos materiais
dependem muito de suas dimensões externas, e a funcionalidade do
material pode se perder abaixo de determinado tamanho. Portanto, na ciência
dos materiais básicos tenta-se identificar claramente as origens e os
mecanismos do chamado efeito tamanho.
No caso de uma classe específica de materiais, os óxido
ferrelétricos,
o desafio é especialmente importante. Materiais desse tipo têm
diversas aplicações em um amplo leque de componentes eletrônicos,
eletromecânicos e eletroópticos avançados. Em muitos casos esses
materiais tendem a perder sua funcionalidade assim que as dimensões
externas caem na escala de nanômetros. Materiais desse tipo são, por
exemplo, titanato zirconato de chumbo, tantalato de bismuto estrôncio
e titanato de bismuto. Os óxido ferrelétricos podem ser usados para
construir células de memória "não-volátil" em microeletrônica
baseada em silício - células que não perdem sua informação quando
a corrente elétrica é desligada.
A memória ativa dos computadores pessoais - RAM - poderia ser
significativamente aperfeiçoada se fosse possível construir células
de memória não-volátil com uma densidade de armazenamento de vários
bilhões de bits por centímetro quadrado. Dessa maneira, a ligação
do PC, que consome tempo e energia, e a lenta gravação de arquivos
no disco rígido poderiam ser completamente evitadas. No entanto, para
atingir esse objetivo há necessidade de uma miniaturização das células
de memória para algumas dezenas de nanômetros. Conseqüentemente, a
pergunta de por que os óxido ferrelétricos perdem suas propriedades
de memória abaixo de certo tamanho na escala nanométrica é
especialmente oportuna. Físicos de estado sólido investigam essa
questão em todo o mundo, mas ainda não obtiveram uma imagem
unificada da origem do efeito tamanho nos óxido ferrelétricos.
Um grupo de pesquisa dirigido por Ming-Wen Chu, Marin Alexe e Dietrich
Hesse no Instituto Max Planck de Física de Microestruturas em Halle
(Alemanha) conseguiu identificar um mecanismo para o efeito tamanho
nos ferrelétricos que não havia sido considerado até agora. Os
pesquisadores do Max Planck conseguiram mostrar que certos defeitos em
treliças de cristal linear de menos de um décimo de nanômetro de diâmetro
podem contribuir significativamente para a perda das capacidades de
memória de ilhas de titanato zirconato de chumbo de 10 nanômetros de
espessura. Esses defeitos se formam na interface das ilhas com o
substrato feito de titanato de estrôncio. Aplicando microscopia eletrônica
de alta resolução quantitativa, os pesquisadores conseguiram mostrar
que cada um desses defeitos lineares, chamados de deslocamentos
irregulares, é capaz de deformar um tubo de material com corte
transversal retangular de cerca de 4 por 8 nanômetros e com 20 a 50
nanômetros de comprimento, em tal medida que o material perde suas
propriedades de armazenamento. Se a ilha ferrelétrica for tão
pequena que a maior parte de seu volume consista nesses tubos de
material deformado, a ilha perde toda a capacidade de armazenamento.
Assim, a formação desses defeitos na treliça deve ser evitada para
que os óxido ferrelétricos com dimensões nanométricas possam ser
empregados para armazenamento.
"O impacto perturbador dos deslocamentos irregulares sobre as
propriedades ópticas e eletrônicas de nanoestruturas semicondutoras
é um problema conhecido na física de semicondutores.
Surpreendentemente, esse problema agora também se mostra relevante
para a propriedade de memória das nanoestruturas ferrelétricas. Essa
descoberta abre novas possibilidades para a escolha sistemática de
combinações definidas de materiais para aplicações de óxidos
ferrelétricos em elementos de memória miniaturizados", diz o
professor Ulrich Gösele, diretor do Instituto Max Planck de Física
de Microestruturas.
Tradução: Luiz Roberto Mendes Gonçalves
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