Escavando microestruturas com um feixe de íons e elétrons

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/11/2004

A nanotecnologia tem avançado rapidamente. Mas ela já poderia ter gerado ainda mais resultados práticos se não fosse tão difícil construir os equipamentos diminutos que os cientistas estão vislumbrando. O grande problema é que não se pode construir nanodispositivos com as ferramentas hoje disponíveis.

Assim, os cientistas têm que, primeiro, criar as ferramentas, e só depois construir seus equipamentos. E estas ferramentas não são do mesmo tipo utilizadas no mundo macroscópico. Isso torna difícil sua fabricação em escala industrial.

Dentre estas ferramentas, uma das mais utilizadas na criação de peças em nanoescala é o feixe de íons. Um canhão magnético, parecido com aquele utilizado nos televisores para disparar elétrons e iluminar a tela, dispara feixes extremamente bem focalizados de íons. Ao atingir a superfície do material no qual será construída a estrutura, os íons vão "escavando" os padrões desejados, eliminando camadas de átomos uma por uma.

Esta tecnologia de feixe de íons já é empregada na indústria de semicondutores, por exemplo, na reparação de defeitos em máscaras utilizadas na fotolitografia, no isolamento de elementos no interior de circuitos integrados ou para dopar áreas bem definidas do material comátomos específicos.

Mas, até agora, a tecnologia de feixes de íons tinha uma séria deficiência: ela não podia ser utilizada em materiais isolantes. O problema é que o material isolante acaba sendo carregado pelos íons positivos. "À medida em que as cargas positivas se acumulam no material, elas repelem os íons e desfocam o feixe", explica Qing Ji, um dos autores de uma nova pesquisa que encontrou uma solução para esse problema.

As tentativas feitas anteriormente para solucionar o problema do feixe de íons exigiam ou a colocação de uma célula de gás para neutralizar parcialmente o feixe ou a utilização de um feixe separado de elétrons. O problema é que os dois métodos desfocam o feixe, limitando o tamanho mínimo das estruturas que estão sendo construídas.

A equipe do Dr. Ji criou um equipamento que combina o tradicional feixe de íons com um feixe de elétrons. Ao invés de utilizar metal líquido como fonte de íons, os pesquisadores utilizaram duas câmaras onde campos eletromagnéticos gerados por rádio-freqüência criam plasma. O plasma separa as moléculas de um gás em seus componentes, elétrons e íons positivos.

As duas câmaras são divididas por eletrodos que permitem que apenas os elétrons de alta energia saíam da primeira câmara e, ao mesmo tempo, mantém os íons positivos do lado de fora.

O plasma é formado nas duas câmaras, mas os potenciais nos três eletrodos entre as duas garantem que somente elétrons sairão da câmara esquerda, enquanto os íons positivos são mantidos do lado de fora. O feixe positivo é formado na câmara da esquerda.

Na segunda câmara, um feixe de íons é formado e acelerado por uma baixa voltagem, a qual não interfere com o feixe de elétrons de alta energia. Os dois feixes se combinam em um único feixe misto, que é "extraído" pela coluna de aceleração, localizada no lado direito.

Mas o feixe misto criado pela equipe do Dr. Ji é auto-neutralizante, o que significa que ele se mantém perfeitamente focado, conseguindo escavar estruturas perfeitas com poucos nanômetros de resolução. A presença dos elétrons impede o acúmulo de carga no material que está sendo trabalhado e não permite que os íons empurrem uns aos outros, o que aumentaria a largura do feixe.

O sistema de feixes combinados pode acelerar diversos tipos de íons, incluindo gases nobres como argônio, metais como manganês e mesmo íons moleculares como o carbono-60, as chamadas "buckyballs", muito utilizadas em estudos biológicos devido à sua estabilidade.

Segundo Ka-Ngo Leung, outro participante do grupo de pesquisadores, o novo método poderá ser utilizado para resolver problemas grandes, como "supressores de ruído para turbinas de avião, que exigem milhões de pequenos furos, que poderão ser produzidos com um único tiro [do canhão de íons]. Ou para cortar as inúmeras trilhas necessárias para aumentar a área superficial dos eletrodos das células a combustível a hidrogênio, que também poderão ser feitas de uma só vez."

A pesquisa foi publicada no revista Applied Physics Letters, e é assinada por Qing Ji, Lili Ji, Ye Chen e Ka-Ngo Leung. Todos trabalham nos Laboratórios Lawrence Berkeley, Estados Unidos.

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