Researcher Spotlight
Nano-fabricação à escala molecular - MIT-Harvard Center for Excitonics
É possível escrever estruturas de um nanômetro. Tal estrutura tem apenas cinco átomos de largura e, para tornar as coisas mais difíceis, nós gostaríamos de ser capazes de a fazer em questão de micro-segundos. Será que isto soa a fantasia da ficção científica? Na verdade, refere-se a tecnologia atual que está sendo desenvolvida para permitir trabalhar com as menores espécimes possíveis, neste caso, os pontos
quânticos coloidais (QDs). A manipulação precisa de QDs, que pode confinar excitons dentro de um “ponto” à escala nano, nos ajudará a desenvolver circuitos para excitons e assim converter de forma mais eficiente fótons da parte invisível do espectro da radiação solar. Mesmo assim, os mais recentes e inovadores métodos da alta-tecnologia, têm muitas vezes raízes em algo muito tradicional.
O estudante de pós-graduação Vitor Manfrinato espera desenvolver os alicerces fundamentais para que se possa atingir este objetivo utilizando a litografia por feixe de elétrons (EBL – “electron-beam lithography”). A EBL é análoga a um método convencional utilizado em prensas para impressão, e que já está em uso na fabricação de novos dispositivos eletrônicos. A litografia transfere um padrão de um original para uma cópia. A prensa de impressão é uma forma de litografia e tradicionalmente usa um carimbo para transferir tinta para o papel. A litografia ótica é usada atualmente pela indústria de eletrônicos para definir características de alta resolução nos micro-chips de processamento. Este processo utiliza uma máscara opaca com um padrão para deixar passar a luz em regiões selecionadas de uma pastilha de silício. Em seguida, são utilizados processos químicos para transferir esta informação para estruturas na pastilha. Vitor e seus colaboradores procuram uma nova alternativa que oferece estruturas ainda menores, sem se incorrer em custos inviáveis. O processo de pesquisa do Vitor envolve o uso de feixes de elétrons para definir padrões numa escala menor ainda do que aquela a que a litografia ótica tem capacidade. Ele está mudando os materiais e as técnicas para encontrar maneiras para melhorar a eficiência de produção na escala atômica.
Para melhor se entender esta questão, devemos começar no início, com a ideia de nano-fabricação – fabricar coisas muito pequenas. Em meados da década de 1990, a menor estrutura (ou padrão) jamais criada1 tinha-o sido feita por Don Eigler e Erhard Schweizer na IBM Almaden, quando escreveram “IBM” com átomos de xenônio sobre substrato de níquel. Eles usaram um microscópio de tunelamento eletrônico para manipular os átomos. Isso foi um marco importante no campo da nano-tecnologia e definiu o limite de resolução para a litografia. No entanto, uma desvantagem desta técnica é que era extremamente lenta e complexa de executar – “fazer o IBM” levava um dia inteiro – e por isso não é usado atualmente para nano-fabricação.
Um esforço integrado
O trabalho do Vitor é apoiado pelo conhecimento disponível no Center for Excitonics (“Centro de Excitônica” do laboratório RLE do MIT) e, mutualmente, o seu trabalho vai ajudar a desenvolver os projetos de outros grupos pertencentes ao Center. Ele é membro do Quantum Nanostructures and Nanofabrication Group (“Grupo de Nano-Estruturas Quânticas e Nano-fabricação”) liderado pelo Professor Karl Berggren e trabalha em estreita colaboração com Moungi Bawendi do Semi-Conductor and NanoCrystal’s group (“Grupo de Semicondutores e Nanocristais”) que foi pioneiro na síntese e nos trabalhos de física dos QDs. Ele trabalha atualmente com o investigador principal de Brookhaven, Eric Stach, com o microscópio de grandes dimensões de varredura eletrônica de transmissão (STEM) lá instalado. O Laboratório Nacional Brookhaven, em Nova York, é um laboratório de pesquisa sobre energia financiado pelo governo federal Americano e é a instituição parceira do Center for Excitonics. O Vitor e os seus colaboradores empregam o STEM de alta resolução para fabricar estruturas de poucos átomos. O grupo do Dr. Stach em Brookhaven, no Center for Functional Nanomaterials (“Centro para Nanomateriais Funcionais” – CFN), emprega o STEM numa base contínua para procurar novas propriedades e materiais em nano-escala com o fim de desenvolverem dispositivos de captação de energia.
Aplicando esta técnica a sua expectativa é melhorar continuamente a sua capacidade em controlar exatamente a posição de QDs nos pontos onde ele deseja. Eventualmente, ele poderá então engendrar a transferência de energia entre esses QDs, levando a novas oportunidades em dispositivos solares. Até à data, utilizar a EBL – litografia por feixe de elétrons – permitiu a criação de estruturas até 9 nm pitch (ou seja, padrões periódicos de 9 nm). É conhecido que oVitor vem apontando para estruturas cada vez menores. O Vitor selecionou o material HSQ – silsesquioxane de hidrogênio baseado no fato de que a equipe de Berggren tem demonstrado previamente que eram possíveis resoluções muito altas com este material. Após fazer a exposição da amostra em Brookhaven, Vitor traz os materiais de volta ao MIT para posterior análise. Em 2011 o Vitor e sua equipe demonstraram com sucesso a melhoria da velocidade de fabricação com elétrons de baixa energia2 e com os íons de neôni3; esta última técnica foi 1000 vezes mais eficiente do que a EBL. O grupo concluiu que estas técnicas são promissoras para nano-fabricação rápida e eficiente em termos energéticos.4
(da esquerda para a direita) Eric Stach, Dong Su, Lihua Zhang, Vitor Manfrinato at Brookhaven National Laboratory com STEM microscópio
Uma paixão pela engenharia
Brasileiro de nascimento, o Vitor é estudante de pós-graduação do terceiro ano no Center for Excitonics, e é um cientista com espírito empreendedor. Ele tem uma visão: acredita firmemente de que é possível desenvolver processos de fabricação mais rápidos e rentáveis e é em parte impulsionado pela ideia de que isso poderá ajudar a sociedade. Ele também é motivado por um profundo fascínio pelo mundo natural. Ele afirma que o seu trabalho, num sentido real, procura recriar os blocos de construção da natureza, de modo a entender como é que a energia é canalizada através dos sistemas naturais. Ele espera produzir novos modos de controlar a transferência de luz e de energia, oferecendo um dia fontes de iluminação mais eficientes e de menor custo.
Como é que o Vitor escolheu o seu caminho? Ele considera-se um inventor desde o primeiro momento em que brincou com um conjunto de Legos™. Como estudante do ensino secundário, ele ficou feliz ao descobrir que a área da engenharia tem tudo a ver com a invenção; ele compreendeu então que, se prosseguisse os seus estudos em engenharia elétrica, iria aprender sobre as ferramentas e fundamentos de que precisava. Ele estava tão atraído pela pesquisa que enviou e-mails a dois professores do MIT, e foi para o MIT quando tinha 23 anos para passar um semestre a trabalhar num projeto com a professora Jing Kong. Este trabalho tornou-se sua tese de graduação. Vitor diz: “[Na área de engenharia] deseja-se dividir um problema complicado nas suas unidades mais pequenas e entender as suas contribuições e resultados, e, em seguida, juntá-los com outras ferramentas.” Assim, a combinação de grandes ideias com o trabalho de design de engenharia do Vitor e muitos de seus colegas no Center for Excitonics, terá potencialmente um impacto no futuro da nano-fabricação e na necessidade da sociedade por dispositivos de captação da luz mais eficientes e eficazes.
1 “35 atoms that changed the nanoworld” Nature Nanotechnology, Vol. 5, April 2010.
2 Vitor R. Manfrinato, Lin Lee Cheong, Huigao Duan, Donald Winston, Henry I. Smith, Karl K. Berggren “Sub-5 keV Electron-Beam Lithography in Hydrogen Silsesquioxane Resist,”, Microelectronic Engineering 88 (2011) 3070-3074.
3 Donald Winson, Vitor R. Manfrinato, Samuel M. Nicaise, Lin Lee Cheong, Huigao Duan, David Ferranti, Jeff Marshman, Shawn McVey, Lewis Stern, John Notte and Karl K. Berggren, “Neon Ion Beam Lithography,”NanoLetters, 2011, 11 (10), pp 4343–4347.
4 See “The future of chip manufacturing” – http://web.mit.edu/newsoffice/2011/future-chips-0630.html?tmpl=component&print=1
