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Pesquisadores demonstraram uma técnica para imprimir filmes finos de óxido metálico em temperatura ambiente e usaram a técnica para criar circuitos transparentes e flexíveis que são robustos e capazes de funcionar em altas temperaturas.
“Criar óxidos metálicos que são úteis para eletrônicos tradicionalmente requer o uso de equipamento especializado que é lento, caro e opera em altas temperaturas”, diz Michael Dickey, coautor correspondente de um artigo sobre o trabalho e Professor Camille e Henry Dreyfus de Engenharia Química e Biomolecular na Universidade Estadual da Carolina do Norte. “Queríamos desenvolver uma técnica para criar e depositar filmes finos de óxido metálico em temperatura ambiente, essencialmente imprimindo circuitos de óxido metálico.”
Óxidos metálicos são um material importante encontrado em quase todos os dispositivos eletrônicos. A maioria dos óxidos metálicos é eletricamente isolante (como vidro). Mas alguns óxidos metálicos são condutores e transparentes, e esses óxidos são extremamente importantes para a tela sensível ao toque do seu smartphone ou para o monitor do seu computador.
“Em princípio, os filmes de óxido de metal devem ser fáceis de fazer”, diz Dickey. “Afinal, eles se formam naturalmente na superfície de quase todos os objetos de metal em nossas casas — latas de refrigerante, panelas de aço inoxidável e garfos. Embora esses óxidos estejam em todos os lugares, eles são de uso limitado, pois não podem ser removidos dos metais em que se formam.”
Para este trabalho, os pesquisadores desenvolveram uma nova maneira de separar óxido de metal de um menisco de metal líquido. Se você encher um tubo com líquido, um menisco é a superfície curva do líquido que se estende além do final do tubo. Ele é curvo por causa da tensão superficial que impede que o líquido vaze completamente. No caso de metais líquidos, a superfície do menisco é coberta com uma fina película de óxido de metal que se forma onde o metal líquido encontra o ar.
“Preenchemos o espaço entre duas lâminas de vidro com metal líquido para que um pequeno menisco se estenda além das extremidades das lâminas”, diz Dickey. “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, análogo à borracha fina que envolve um balão de água. Quando movemos o menisco pela superfície, o óxido de metal 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.”
O resultado é que a impressora deposita uma película fina de duas camadas de óxido metálico com aproximadamente 4 nm de espessura.
“É importante notar que, embora usemos um líquido, o filme de óxido de metal depositado no substrato é sólido e incrivelmente fino”, diz Dickey. “O filme adere ao substrato — não é algo que você possa borrar ou manchar. Isso é importante para circuitos de impressão.”
Os pesquisadores demonstraram essa técnica com vários metais líquidos e ligas metálicas, com cada metal alterando a composição do filme de óxido metálico. Os pesquisadores também conseguiram depositar uma pilha de filmes finos em camadas fazendo várias passagens com a impressora.
“Uma das coisas que achamos surpreendente foi que os filmes impressos são transparentes, mas têm propriedades metálicas”, diz Dickey. “Eles são altamente condutores.”
“Como os filmes têm um caráter metálico, o ouro se liga ao óxido impresso, o que é incomum — o ouro normalmente não gruda em óxidos”, diz Unyong Jeong, coautor correspondente de um artigo sobre o trabalho e professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH). “Quando você introduz uma pequena quantidade de ouro nesses filmes finos, o ouro é essencialmente incorporado ao filme. Isso ajuda a evitar que as propriedades condutoras do óxido se degradem ao longo do tempo.”
“Achamos que esses filmes são tão condutores porque o centro do filme fino de duas camadas contém muito pouco oxigênio, é mais metálico e menos óxido”, diz Jeong. “Sem a presença de ouro, mais oxigênio chega ao centro do filme fino em camadas ao longo do tempo, o que faz com que o filme se torne eletricamente isolante. Adicionar ouro ao filme fino ajuda a evitar que a parte central do filme oxide. O fato de isso funcionar tão bem é surpreendente porque estamos usando tão pouco ouro — o filme fino de óxido ainda é altamente transparente.”
Além disso, os pesquisadores descobriram que os filmes finos retinham suas propriedades condutoras em altas temperaturas. Se o filme fino tiver 4 nanômetros de espessura, ele retém suas propriedades condutoras até quase 600 graus Celsius. Se o filme fino tiver 12 nanômetros de espessura, ele retém suas propriedades condutoras até pelo menos 800 graus Celsius.
Os pesquisadores também demonstraram a utilidade de sua técnica imprimindo óxidos metálicos em um polímero, criando circuitos altamente flexíveis que eram 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 eletrônicos em lugares não convencionais”, diz Dickey. “Estamos preservando a propriedade intelectual dessa técnica e estamos abertos a trabalhar com parceiros da indústria para explorar potenciais aplicações.”
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