Circuitos eletrônicos de óxido metálico são impressos em temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/08/2024

Esquema de funcionamento da impressora de óxidos metálicos.
[Imagem: Minsik Kong et al. - 10.1126/science.adp3299]

Filmes de óxidos metálicos

Pesquisadores desenvolveram uma técnica para imprimir filmes finos de óxido metálico em temperatura ambiente, um passo essencial para baratear tecnologias eletrônicas de amplo uso e ainda viabilizar novas tecnologias que esperam melhores condições técnicas para sair de vez dos laboratórios.

Os óxidos metálicos já são encontrados em quase todos os dispositivos eletrônicos porque a maioria deles é eletricamente isolante, o que os torna o par perfeito para os semicondutores. Mas alguns óxidos metálicos altamente promissores são bons condutores elétricos e ainda são transparentes, o que torna esses óxidos extremamente importantes noutras aplicações, por exemplo, para a construção de telas sensíveis ao toque.

Você certamente conhece um filme fino de óxido metálico: Basta lembrar da camada de oxidação que surge na superfície de qualquer metal exposto ao ambiente. Esta camada é um óxido daquele metal sobre o qual ele se forma. O problema é que não dá para ir lá e simplesmente raspar a camada de óxido porque ela se desfará. Assim, fabricar filmes finos de óxidos metálicos continua sendo um desafio difícil de vencer.

"Criar óxidos metálicos que são úteis para eletrônicos tradicionalmente requer o uso de equipamentos especializados que são lentos, caros e operam em altas temperaturas," explica o professor Michael Dickey, da Universidade do Estado da Carolina do Norte, nos EUA. "Queríamos desenvolver uma técnica para criar e depositar filmes finos de óxido metálico em temperatura ambiente, essencialmente imprimindo circuitos de óxido metálico."

Deu certo, e a equipe já usou sua nova técnica para fabricar circuitos transparentes e flexíveis que são robustos e ainda conseguem funcionar em altas temperaturas.

Os óxidos metálicos são importantes para uma série de tecnologias, cujos processos de fabricação agora poderão ser simplificados e barateados.
[Imagem: NCSU]

Impressão de óxido metálico

A técnica é essencialmente uma maneira de separar a camada de óxido do seu metal. Para isso, a equipe usou um menisco de metal líquido.

Um menisco é a superfície curva do líquido que se estende além da boca de um tubo depois que esse tubo for cheio com um líquido. Ele é curvo por causa da tensão superficial, que impede que o líquido vaze completamente. No caso dos metais líquidos, a superfície do menisco é coberta com uma fina película de óxido metálico que se forma onde o metal líquido encontra o ar.

"Nós enchemos o espaço entre duas lâminas de vidro com metal líquido, para que um pequeno menisco se estenda além das extremidades das lâminas. Pense nas lâminas como a impressora, e o metal líquido é a tinta. O menisco de metal líquido pode então ser colocado em contato com uma superfície.

"O menisco é coberto com óxido em todos os lados, de forma similar à borracha fina que envolve um balão cheio de água. Quando movemos o menisco pela superfície, o óxido metálico na frente e atrás do menisco gruda na superfície e descasca, como o rastro deixado por um caracol. À medida que isso acontece, o líquido exposto no menisco forma constantemente óxido fresco para permitir a impressão contínua," explicou Dickey.

O resultado é que essa impressora inusitada deposita uma película fina de duas camadas de óxido metálico - que não é líquida como o metal que a originou, mas sólida e bem seca - com aproximadamente 4 nanômetros de espessura, pronta para ser usada em um circuito eletrônico.

Demonstração da tecnologia, com um circuito de óxidos metálicos impresso sobre polímero, criando circuitos altamente flexíveis.
[Imagem: Minsik Kong]

Eletrônica robusta mesmo sobre folhas

Os pesquisadores demonstraram esta técnica com vários metais líquidos e ligas metálicas, com cada metal alterando a composição do filme de óxido metálico. Também é possível empilhar camadas de vários óxidos, bastando dar múltiplas passadas na impressora.

"Uma das coisas que achamos surpreendentes foi que os filmes impressos são transparentes, mas têm propriedades metálicas," disse Dickey. "Eles são altamente condutores." Isso provavelmente acontece porque o meio da camada tem menos oxigênio, sendo portanto mais metálico do que o óxido.

Além disso, os filmes finos retêm suas propriedades condutoras em altas temperaturas: Se o filme fino tiver 4 nanômetros de espessura, ele retém suas propriedades condutoras até quase 600 ºC; se o filme fino tiver 12 nanômetros de espessura, ele retém suas propriedades condutoras até pelo menos 800 ºC.

Os pesquisadores também demonstraram a utilidade de sua técnica imprimindo óxidos metálicos em um polímero, criando circuitos altamente flexíveis que são robustos o suficiente para manter sua integridade mesmo depois de serem dobrados 40.000 vezes. "Os filmes também podem ser transferidos para outras superfícies, como folhas, para criar componentes eletrônicos em lugares não convencionais," disse Dickey.

Mais tópicos