Novo método mais sustentável para fabricar microchips e outros dispositivos em nanoescala

Colocar 50 bilhões de transistores em um microchip do tamanho de uma unha é um feito que requer métodos de fabricação de precisão nanométrica: camadas de películas finas, depois gravação, depósito ou uso de fotolitografia para criar os padrões de semicondutores, isolantes, metais e outros materiais que compõem os minúsculos dispositivos funcionais dentro do chip.

O processo depende muito de solventes que transportam e depositam materiais em cada camada — solventes que podem ser difíceis de manusear e tóxicos para o meio ambiente.

Agora, pesquisadores liderados por Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor de Engenharia na Tufts, desenvolveram uma abordagem de nanofabricação que usa água como solvente primário, tornando-a mais compatível com o meio ambiente e abrindo as portas para o desenvolvimento de dispositivos que combinam materiais inorgânicos e biológicos. A pesquisa é relatada no periódico Natureza Nanotecnologia.

O desafio em usar água como solvente é que os materiais com os quais ela entra em contato durante a fabricação são frequentemente hidrofóbicos, o que significa que repelem água. Semelhante à forma como a água forma gotas em um carro bem encerado, a superfície de uma pastilha de silício ou outro material pode resistir a ser revestida uniformemente com um material à base de água.

Omenetto e sua equipe no Silklab da Universidade Tufts descobriram que o bloco de construção proteico da seda comum, chamado fibroína da seda, pode aumentar significativamente a capacidade da água de cobrir uniformemente praticamente qualquer superfície, dependendo da quantidade de fibroína adicionada.

Outros surfactantes que alteram as propriedades da água são usados ​​na produção comercial para resolver esse problema, mas a fibroína de seda pode ser usada em quantidades significativamente menores, produz resultados de qualidade superior e é biológica e ambientalmente correta.

“Isso abre uma grande oportunidade na fabricação de dispositivos”, disse Omenetto. “Não só é possível depositar materiais solúveis em água e metais em silício, mas em todos os tipos de polímeros. Podemos até depositar e imprimir moléculas biológicas em praticamente qualquer superfície com precisão nanométrica.”

Omenetto e sua equipe demonstraram essa capacidade em estudos anteriores, criando um transistor híbrido de silício-biológico que pode responder ao ambiente, fazer a transição entre o processamento digital e analógico e pode até ser um precursor de dispositivos neuromórficos (semelhantes ao cérebro).

Moléculas biológicas têm sido usadas em combinação com a eletrônica para detectar glicose no sangue, anticorpos que indicam infecção e fragmentos de DNA para identificar mutações, por exemplo, mas integrá-las em dispositivos nanomateriais comuns, como microchips, pode permitir o design da próxima geração de biossensores e processadores que respondem à saúde e ao meio ambiente.

Os nanodispositivos demonstrados no estudo atual usando processamento à base de água incluem muitos componentes que são amplamente utilizados hoje em computadores, smartphones, células solares e outras tecnologias:

• Transistores de óxido de índio, gálio e zinco usados ​​principalmente em tecnologias de exibição, eletrônica flexível, detecção de imagem e telas sensíveis ao toque
• Isoladores de óxido de alumínio usados ​​em transistores para controlar o fluxo de elétrons
• Películas de óxido de níquel usadas em filtros ópticos, células solares e displays transparentes, e
• Películas de perovskita usadas em células solares de alta eficiência, diodos emissores de luz, detectores de luz, lasers e armazenamento de memória

O desempenho desses componentes correspondeu ao de seus equivalentes desenvolvidos comercialmente. De fato, a fabricação à base de água de microchips e outros nanodispositivos pode ser facilmente substituída no processo de fabricação atual, disseram os pesquisadores.