Entrevista com Kenneth E. Gonsalves (professor do Indian Institute of Technology Mandi, India).


gonsalves_fotoNa corrida por desenvolver chips cada vez menores e de melhor desempenho, várias limitações tecnológicas precisam ser superadas. Hoje, os gargalos para continuar nessa tendência se encontram, principalmente, nas técnicas para fabricar circuitos eletrônicos de menos de 10 nm. Dentre as técnicas que estão sendo aprimoradas para fabricar a próxima geração de chips, uma das mais promissoras é a litografia por luz ultravioleta extrema, conhecida pela sigla em inglês EUVL (extreme ultraviolet lithography), que aproveita o curtíssimo comprimento de onda desse tipo de radiação para gravar circuitos nanométricos em cima dos “resistes” – finas camadas de material sensível à radiação que cobrem o substrato do chip durante sua fabricação.

No XVI Encontro da SBPMat, a palestra plenária da tarde 12 de setembro discutirá uma importante contribuição que a área de materiais pode fazer à fabricação da próxima geração de chips: o desenvolvimento de resistes adequados à fabricação de circuitos eletrônicos de menos de 10 nm por EUVL.

O assunto será apresentado por Kenneth E. Gonsalves, Distinguished Professor do Indian Institute of Technology Mandi (IIT Mandi), instituição indiana de ensino e pesquisa científica e tecnológica criada em 2009, aonde Gonsalves chegou em 2012 como professor visitante.

Gonsalves formou-se em Química pela University of Delhi (India). Depois, fez mestrado, também em Química, no Boston College (EUA) e doutorado na University of Massachusetts at Amherst(EUA), com uma tese sobre síntese de polímeros. Posteriormente, especializou-se em cerâmica polimérica (polymer ceramics) no MIT (EUA). De 2001 a 2014, ele ocupou a cadeira Celanese Acetate de materiais poliméricos na University of North Carolina at Charlotte (EUA).

Junto a seu grupo de pesquisa no instituto indiano e a seus colaboradores dos Estados Unidos, Índia, Brasil e Europa, Gonsalves tem realizado projetos de desenvolvimento de resistes para técnicas de nanofabricação avançadas, contando com financiamento grandes empresas do segmento da eletrônica.

Aqui segue uma breve entrevista com o pesquisador.

Boletim da SBPMat: – Conte-nos um pouco sobre suas principais contribuições científicas / tecnológicas.

Kenneth Gonsalves: – Minha pesquisa centrou-se em polímeros com ênfase na síntese de novos materiais. Nos últimos 20 anos, concentrei-me na tecnologia de resistes para a fabricação de CI (circuitos integrados). Esta é uma área fascinante, pois possui importantes aplicações tecnológicas no desenvolvimento de circuitos integrados, dispositivos de estado sólido. Além disso, também pode ser usada com sucesso em engenharia de células e tecidos para arcabouços (scaffolds) para biotecnologias.

Boletim da SBPMat: – Sobre os resistes nos quais você está trabalhando, quais habilidades são necessárias para desenvolvê-los, na sua opinião? E quando essa próxima geração de chips deverá estar disponível?

Kenneth Gonsalves: – A P&D de resistes é multifacetada e extremamente complexa. Exige colaborações extensas entre químicos orgânicos, inorgânicos e de polímeros. Além disso, a interação com físicos e engenheiros elétricos / eletrônicos é essencial. A próxima geração de chips no nodo de 14 nm está atualmente disponível. A tecnologia de nodos sub 7 nm está prevista para 2018.

Boletim da SBPMat: – Descreva da maneira mais simples e breve possível o processo de EUVL, sem esquecer de mencionar o papel dos resistes.

Kenneth Gonsalves: – Os fótons EUV são gerados por uma fonte de plasma ou síncrotron que opera a um comprimento de onda de 13,5 nm. Através de uma série de espelhos especiais e uma máscara, o modelo pré-designado para a fabricação do circuito integrado é projetado em materiais fotossensíveis, como polímeros e inorgânicos. Tudo isso é conduzido no vácuo, um desafio para a indústria de fabricação de circuitos integrados, uma vez que é uma mudança drástica com relação à atual tecnologia de fotolitografia, que funciona em condições ambientais. O comprimento de onda EUV extremamente curto é um pré-requisito para padrões da escala sub 20 nm. Os desafios para resistes que podem atender aos requisitos de nodo sub 7 nm são enormes. Um novo paradigma é primordial – os resistes híbridos, que são parcialmente inorgânicos, podem fornecer soluções para modelagem nessas escalas. As máscaras rígidas inorgânicas são outra alternativa. A sensibilidade desses fotorresistes deve ser aumentada drasticamente para atender a produção em massa de chips. Existem vários outros parâmetros críticos que devem ser atendidos para um sistema de resistes bem-sucedido. Mais uma vez, isso exige uma colaboração multidisciplinar, multi-institucional e industrial em escala global.

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Mais Informações

No site da reunião do XVI B-MRS, clique na foto de Kenneth Gonsalves e veja seu mini CV e o resumo de sua palestra plenária: http://sbpmat.org.br/16encontro/home/

Entrevista com Susan Trolier-McKinstry (PennState – EUA), presidente da Materials Research Society (MRS).


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Prof. Susan Trolier-McKinstry

Materiais piezoelétricos convertem energia mecânica em elétrica e vice-versa. Eles já são amplamente utilizados em ultrassonografia, impressoras de jato de tinta, sistemas de sonar, sensores e métodos de posicionamento preciso. Sistemas microeletromecânicos (MEMS) de filmes finos piezoelétricos permitem as comunicações por telefones celulares e poderão gerar novas mudanças tecnológicas de alto impacto social. De fato, o campo dos MEMS  já está gerando máquinas microscópicas capazes de captar informações do ambiente, processá-las e, a partir delas, realizar operações envolvendo movimento.

O assunto será abordado em palestra plenária do XVI Encontro da SBPMat/ B-MRS Meeting pela professora Susan Trolier-McKinstry, que lidera um grupo de pesquisa na Penn State (The Pennsylvania State University, EUA) com ampla experiência no estudo e desenvolvimento de filmes finos piezoelétricos e seu uso em MEMS. Na palestra, a cientista revelará como faz para melhorar o desempenho de seus filmes finos piezoelétricos para utilizá-los, por exemplo, como sensores e atuadores e na chamada “colheita de energia” (captura de pequenas quantidades de energia mecânica espalhadas no ambiente para transformá-las em energia elétrica e utilizá-las em dispositivos de baixo consumo).

Trolier-McKinstry ocupa a cadeira Steward S. Flaschen de Ciência e Engenharia de Materiais Cerâmicos na Penn State, além de ser professora de Engenharia Elétrica e diretora do Laboratório de Nanofabricação nessa universidade. A cientista também é a atual presidente da Materials Research Society (MRS), a sociedade de pesquisa em materiais dos Estados Unidos que conta com um quadro de membros internacional e interdisciplinar formado por cerca de 14 mil indivíduos. Anteriormente, Trolier-McKinstry foi presidente da IEEE Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control Society e da Keramos National Professional Ceramic Engineering Fraternity.

Susan Trolier-McKinstry nasceu em Syracuse, no estado de Nova Iorque. Depois de realizar seus estudos primários e secundários em escolas públicas de cidades dos estados vizinhos de Nova Iorque e Pensilvânia, entrou na universidade do Estado de Pensilvânia para estudar Ciência e Engenharia de Materiais Cerâmicos. Em 4 anos de estudos, que incluíram seu primeiro trabalho de pesquisa sobre cerâmicas piezoelétricas, obteve os diplomas de graduação e mestrado. Logo depois, em 1987, iniciou o doutorado em Ciência dos Materiais Cerâmicos, também na Penn State, que incluiu um estágio de pesquisa no Laboratório Central de Pesquisa da Hitachi em Tóquio (Japão). Tanto no mestrado quanto no doutorado, Trolier-McKinstry foi orientada pelo professor Robert E. Newnham, um especialista em minerais e cristalografia que criou, no final da década de 1970 criou um transdutor de material compósito piezoelétrico que hoje é amplamente utilizado em aparelhos de ultrassom. Susan Trolier-McKinstry obteve o diploma de PhD em 1992 e, no mesmo ano, iniciou sua carreira acadêmica na Penn State.

A professora Trolier-McKinstry é editora associada do periódico Applied Physics Letters. É fellow da American Ceramic Society, IEEE e Materials Research Society e acadêmica da World Academy of Ceramics. Ela já recebeu vários prêmios e distinções por seu trabalho de pesquisa e ensino, como o “Ferroelectrics Achievement Award” da IEEE, o “Outstanding Educator Award” do Ceramic Education Council e o “Robert L. Coble Award for Young Scholars” da American Ceramic Society, entre outros. Além disso, sua biografia foi incluída no livro “Successful Women Ceramic and Glass Scientists and Engineers: 100 Inspirational Profiles”, lançado em 2016.

Além de ter desenvolvido uma destacada trajetória em pesquisa, com mais de 12 mil citações a seus trabalhos e um índice h de 56 segundo o Google Scholar, a professora Trolier-McKinstry é uma professora apaixonada por dar aulas e orgulhosa dos estudantes que orientou.

Segue uma breve entrevista com a cientista.

SBPMat: – Descreva brevemente quais são, na sua opinião, as suas principais contribuições científicas no assunto da palestra plenária. Fique à vontade para compartilhar referências bibliográficas.

Susan Trolier-McKinstry: – O meu grupo de pesquisa trabalha em três áreas principais: 1) compreensão dos fatores que controlam a magnitude das respostas dielétricas e piezoelétricas dos materiais, 2) ciência do processamento de filmes eletrocerâmicos, 3) demonstração de sistemas microeletromecânicos de baixa tensão para atuadores, sensores e colheita de energia. Na área fundamental, estudamos o papel que a estrutura de domínios e as paredes de domínio desempenham no controle das propriedades de filmes piezoelétricos de alta deformação baseados em composições ferroelétricas. Nós demonstramos a escala do comprimento em que paredes de domínio se movem coletivamente e quantificamos o papel que as bordas de grãos e a química de defeitos têm na influência da mobilidade da parede do titanato de zirconato de chumbo. Também contribuímos para o desenvolvimento de materiais com coeficientes piezoelétricos que são várias vezes maiores que os dos filmes finos convencionais, bem como os filmes cujo desempenho na colheita de energia é dezenas de vezes maior que o dos filmes convencionais. Em muitos casos, foi necessário inventar e calibrar novas ferramentas para avaliar as propriedades piezoelétricas. Uma vez que os materiais interessantes são desenvolvidos, trabalhamos em compreender como escalar a deposição para grandes tamanhos de substrato e substratos alternativos, como polímeros, vidros e metais. Também é crítico poder modelar lateralmente os filmes piezoelétricos sem degradar suas propriedades. Assim, o grupo também estuda métodos de padronização para comprimentos que variam de 100 nm a 200 mm. Como as propriedades dos materiais piezoelétricos de alta deformação têm forte relação com a composição e cristalinidade, é imperativo desenvolver processos de padronização que não degradem nenhum desses fatores. Finalmente, criamos sistemas microeletromecânicos em uma ampla gama de espaços de aplicação, incluindo óptica adaptativa, switches rf, sensores de aceleração, colheitadeiras de energia e interruptores de substituição CMOS.

SBPMat: – Por que utilizar materiais piezoelétricos na tecnologia MEMS?

Susan Trolier-McKinstry: – Muitos dispositivos MEMS destinam-se a gerar ou a detectar o movimento. Os materiais piezoelétricos permitem que isso seja feito com sensibilidade muito alta nos sensores e com baixas tensões nos atuadores. Assim, é possível substituir dispositivos eletrostáticos de alta tensão por alternativas piezoelétricas de baixa tensão. Isso, por sua vez, simplifica o sistema elétrico e permite uma miniaturização significativa de dispositivos. Por exemplo, agora estamos trabalhando em um sistema médico de ultrassom para imagens que é pequeno o suficiente para que todo o dispositivo (incluindo toda a eletrônica) possa ser colocado em uma pílula e engolido para investigação do trato gastrointestinal.

SBPMat: – Seu grupo de pesquisa já fabricou dispositivos MEMS piezoelétricos. Algum desses sistemas saiu do laboratório para ser comercializado?

Susan Trolier-McKinstry: – O campo dos MEMS piezoelétricos está explodindo agora. Assim, muitos dos desenvolvimentos de materiais que fizemos ao longo dos anos estão sendo utilizados em sistemas que estão sendo comercializados agora.

SBPMat: – Quais são, na sua opinião, os principais desafios ou objetivos que as sociedades de pesquisa em materiais têm hoje?

Susan Trolier-McKinstry: – As sociedades científicas desempenham papéis cruciais para melhorar a comunicação científica e ajudar seus membros a terem carreiras produtivas. As sociedades de pesquisa em materiais sustentam a essencial comunicação interdisciplinar através de reuniões e publicações, porque nosso campo se enquadra na junção de química, física e engenharia. Assim, é comum ver colegas de diferentes disciplinas se reunirem e discutir questões-chave interdisciplinares em reuniões de pesquisa de materiais. É chave para o nosso futuro promover a diversidade de pessoas e campos abrangidos pela sociedade.

SBPMat: – Na sua visão, de que maneira as comunidades da MRS e SBPMat poderiam aprofundar interação de maneira produtiva?

Susan Trolier-McKinstry: – Existem muitas possibilidades aqui. Bons exemplos podem ser identificar um determinado programa conjunto em torno de um objetivo de educação, divulgação ou comunicação. Uma possibilidade seria estabelecer um programa conjunto para traduzir materiais educacionais de um idioma para outro para aumentar a qualidade da educação em materiais em todo o mundo. Outras possibilidades podem ser a programação conjunta de um simpósio em um encontro, ou utilizar veículos de publicação como a MRS Advances para tornar os trabalhos apresentados nos encontros da SBPMat mais amplamente disponíveis. Tudo isso dependerá de boas interações entre as pessoas e as sociedades envolvidas.


Mais informações

No site do XVI Encontro da SBPMat, clique na foto de Susan Trolier-McKinstry e o mini CV dele e o resumo da palestra que proferirá no evento: http://sbpmat.org.br/16encontro/home/

Artigo em destaque: Projetando estruturas para manipular a luz.


O artigo científico com participação de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é: Oxide-cladding aluminum nitride photonic crystal slab: Design and investigation of material dispersion and fabrication induced disorder. Melo, EG; Carvalho, DO; Ferlauto, AS; Alvarado, MA; Carreno, MNP; Alayo, MI. Journal of Applied Physics 119, 023107 (2016). DOI: 10.1063/1.4939773.

Projetando estruturas para manipular a luz

Cristais fotônicos são nanoestruturas que possibilitam a manipulação da luz visível e das demais formas de radiação eletromagnética, graças à organização de sua estrutura em padrões periódicos.

Além de haver materiais com essas características na natureza, como a opala, cristais fotônicos são criados pelo ser humano, podendo ser classificados como metamateriais. Suas características (materiais que os compõem, formato, dimensões) são projetadas com o objetivo de se conseguir o controle da luz. Por meio de processos de nanofabricação, essas estruturas se tornam reais e são utilizadas em diversos dispositivos chamados “nanofotônicos”. Todavia, a fabricação dessas estruturas não é tarefa simples.

Os autores do artigo. Da esquerda para a direita, posando no laboratório: professor Marcelo Nélson Paez Carreño, Emerson Gonçalves de Melo, Maria Elisia Armas Alvarado e professor Marco Isaías Alayo Chávez. Nas inserções: à esquerda, Daniel Orquiza de Carvalho e, à direita, André Santarosa Ferlauto.

Com um estudo baseado principalmente em simulações computacionais, uma equipe de cientistas de instituições brasileiras, liderada por pesquisadores da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo (EPUSP), gerou contribuições científicas que podem ser utilizadas para melhorar a fabricação de cristais fotônicos de modo a otimizar seu desempenho na manipulação de luz. “O trabalho apresenta uma análise bastante detalhada dos efeitos causados por processos de nanofabricação sobre as características ópticas de cristais fotônicos planares fabricados em nitreto de alumínio com cobertura de dióxido de silício”, diz Emerson Melo, primeiro autor de um paper sobre o trabalho, que foi recentemente publicado no prestigiado periódico Journal of Applied Physics (JAP).

“A ideia surgiu da oportunidade de combinar as excelentes características ópticas e físicas do nitreto de alumínio (AlN), tais como sua transparência em uma grande faixa de comprimentos de onda (do infravermelho próximo ao ultravioleta), seus efeitos não lineares e sua grande estabilidade a variações de temperatura, com as vantagens proporcionadas por cristais fotônicos, como a construção de guias de onda, curvas e cavidades ressonantes de alta eficiência em dimensões nanométricas, além dos diversos efeitos ópticos proporcionados por cristais fotônicos, como baixíssimas velocidades de grupo e intensificação dos efeitos não lineares dos materiais”, conta Emerson, que é estudante de doutorado em Microeletrônica – Fotônica na EPUSP, dentro do Grupo de Novos Materiais e Dispositivos do Laboratório de Microeletrônica do Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos. A pesquisa de doutorado de Emerson, cujo orientador é o professor Marco Isaías Alayo Chávez, visa ao estudo, fabricação e caracterização de dispositivos nanofotônicos como guias de onda, cavidades ressonantes, moduladores e chaveadores ópticos em cristais fotônicos de nitreto de alumínio.

O estudo que gerou o paper publicado no JAP iniciou com uma etapa experimental. Filmes finos de nitreto de alumínio e dióxido de silício (SiO2) foram fabricados pelo grupo da EPUSP e, com a colaboração de pesquisadores da UFMG e da UNESP, foram analisados por meio da técnica de elipsometria espectroscópica (VASE) a fim de obter suas funções dielétricas, as quais seriam usadas posteriormente como dados na investigação teórica.

À esquerda, diagrama de uma estrutura de cristal fotônico com alguns dos defeitos de fabricação estudados. À direita, diagrama da célula unitária do cristal fotônico ideal projetado pelos cientistas.

Depois, o grupo da EPUSP projetou um cristal fotônico, ideal em termos de desempenho e de possibilidades de fabricação, composto por uma camada de nitreto de alumínio entre duas camadas de dióxido de silício, com furos redondos dispostos em padrões que se repetem ao longo do “sanduíche”. Usando métodos analíticos e numéricos, os pesquisadores da USP simularam alguns “efeitos colaterais” dos processos de fabricação de cristais fotônicos desse tipo (por exemplo, variações nos tamanhos e posições dos furos) e analisaram teoricamente como essas imperfeições afetariam o desempenho do cristal fotônico.

A investigação teórica de Emerson e os outros pesquisadores da EPUSP concentrou-se nas imperfeições geradas nas duas etapas principais do processo de nanofabricação normalmente empregado em cristais fotônicos como o estudado: litografia por feixe de elétrons e corrosão seca assistida por plasma. “Os resultados apresentados permitem avaliar que o processo de litografia por feixe de elétrons tem maior influência no desempenho de dispositivos que exploram a dispersão da radiação eletromagnética através do cristal fotônico, tais como prismas, chaveadores e moduladores ópticos”, diz Emerson. “Já a qualidade do processo de corrosão seca tem um impacto mais profundo nas características de dispositivos em que são introduzidos defeitos pontuais ou lineares na rede periódica do cristal fotônico para inserir modos harmônicos na banda proibida fotônica. Nesse caso, a corrosão seca deverá ser muito bem controlada para fabricação de dispositivos nos quais guias de onda e cavidades ressonantes encontram-se entre seus principais elementos”, completa.

Além de avançar na compreensão do papel dos processos de nanofabricação de cristais fotônicos no desempenho de dispositivos nanofotônicos, os autores do paper conseguiram definir uma metodologia para projetar cristais fotônicos planares com núcleo e cobertura em filmes finos de materiais dielétricos. “A metodologia inclui o levantamento das funções dielétricas dos materiais através da técnica de elipsometria espectroscópica para a análise dos efeitos de dispersão dos materiais, a obtenção dos parâmetros geométricos que maximizam a banda proibida fotônica e a análise dos impactos causados por desvios introduzidos no processo de fabricação”, detalha Emerson.

A pesquisa teve apoio financeiro do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Financiadora de Estudos e Projetos (Finep).