Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies

Laboratório em destaque: Laboratório de Implantação Iônica (UFRGS) - o maior laboratório de feixe de íons da América Latina.

terça-feira, 15 de abril de 2014 09:24

O acelerador Tandetron de 3 MV e as linhas de feixes de íons para análise de materiais.

O Laboratório de Implantação Iônica (LII) do Instituto de Física da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS) é um dos maiores laboratórios do Brasil, com cerca de 20 pesquisadores e 30 alunos de pós-graduação e iniciação científica, que compartilham uma infraestrutura única, composta por três aceleradores de íons utilizados para análise e modificação de materiais avançados. Além dos aceleradores, o laboratório tem várias salas e equipamentos de apoio (microscopia eletrônica de varredura, laboratório óptico, sala limpa e oficina mecânica).

O LII tem um papel muito importante no âmbito da Engenharia de Superfícies, desde que, a partir da implantação de íons, é possível criar superfícies e modificar suas propriedades. Além disso, os feixes de íons gerados nos aceleradores são utilizados para analisar a composição e estrutura de superfícies, interfaces e filmes finos.

O Laboratório de Implantação Iônica surgiu no início da década de 1980 por iniciativa liderada pelo professor Fernando Claudio Zawislak. Antes do fim da década de 1990, o LII já mostrava produção científica qualificada, formação de doutores e mestres e intenso intercâmbio internacional. Hoje, o laboratório conta entre seus resultados com mais de 60 doutores formados e cerca de 1.000 artigos científicos publicados, além de trabalhos desenvolvidos em colaboração com grupos do Brasil, Alemanha, Argentina, Austrália, Coreia do Sul, Dinamarca, Espanha, Estados Unidos, França e Nova Zelândia.

Pesquisas atuais em Engenharia de Superfícies

Nanometrologia de alta resolução

Esse projeto vem sendo desenvolvido no Laboratório de Implantação Iônica do IF-UFRGS desde 2009 voltado a desenvolver a técnica de espalhamento de íons para a caracterização de nanoestruturas. O principal impacto desse projeto é o desenvolvimento de uma nova metodologia de feixe de íons para a determinação da forma de nanopartículas (como no exemplo ao lado) e do perfil de distribuição elementar dentro de nanoestruturas, o que dificilmente pode ser realizado por outras técnicas. O desenvolvimento da perfilometria em nanomateriais é um trabalho pioneiro desenvolvido pelo nosso grupo e paralelamente por um grupo de pesquisa no Japão. Por isso hoje o Laboratório de Implantação Iônica do IF-UFRGS é uma referência em nanocaracterização por feixes de íons.

Estabilidade de materiais para a tecnologia nuclear e espacial

A estabilidade térmica e estrutural de materiais submetidos a ambientes agressivos por irradiação de partículas como íons e elétrons energéticos é um problema fundamental para o desenvolvimento de materiais e dispositivos empregados em satélites e reatores nucleares. Em geral, superfícies e interfaces são as regiões que se comportam como fontes e sumidouros de defeitos pontuais e tipicamente controlam a cinética das modificações induzidas por irradiação de partículas. Através do apoio ao Laboratório de Implantação Iônica da UFRGS, o Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies está proporcionando o desenvolvimento de pesquisa sistemática nesta área, onde feixes de íons e elétrons simulam os processos de irradiação de ambientes nucleares e espaciais. Isto possibilita testar a estabilidade térmica e estrutural e entender os mecanismos atômicos que controlam sua degradação dos materiais, possibilitando assim projetar novas estruturas com maior funcionalidade e resistência aos ambientes agressivos por irradiação.

Nanoestruturação de superfícies via feixes de íons e de elétrons

Feixes de íons e de elétrons podem ser considerados como ferramentas para a nanoestruturação de regiões de superfície de materiais funcionais. Os mecanismos físicos que controlam a movimentação atômica estimulada pela irradiação de partículas energéticas possibilitam expandir o controle termodinâmico de processos de transformação de fase, os quais podem ser aplicados a regiões com tamanhos de poucos nanometros. Através do apoio proporcionado pelo Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies estamos desenvolvendo novos processos de controle na formação de estruturas altamente localizadas e organizadas, como ilustrado pelas partículas de Au com dimensões de 1 a 5 nm apresentadas na figura abaixo (barra de escala de 20 nm).

Caixas quânticas por implantação

A criação de caixas quânticas de um material semicondutor de baixo valor de gap dentro de outro semicondutor de gap mais elevado tem sido estudada por vários anos. Porém, a técnica mais utilizada é o método de crescimento molecular epitaxial (MBE) a partir da superfície da matriz semicondutora (usualmente silício). Posteriormente, a amostra é recoberta com silício, provocando o encapsulamento das caixas quânticas. Esse método leva a problemas intrínsecos de controle simultâneo de vários efeitos como, por exemplo, defeitos estruturais criados na interface, auto-organização das ilhas formadas e relaxação plástica. A proposta desta linha de pesquisa é a obtenção de nanoestruturas semicondutoras por implantação iônica dentro de uma matriz também semicondutora e a subsequente caracterização das mesmas.

Formação de nanolaminados dielétricos sobre semicondutores alternativos ao Si

A crescente evolução da indústria microeletrônica baseada em Si levou à miniaturização dos dispositivos-chave dos processadores, conhecidos como transistores MOSFET. Esse miniaturização crescente levou a um aumento exponencial da corrente de fuga nesses transistores devido às dimensões nanométricas dos filmes dielétricos de SiO2 crescidos termicamente sobre Si. Dessa forma, a utilização de novos dielétricos alternativos vem sendo investigada nos últimos anos. Como o dielétrico de escolha deixa de ser o SiO2, a utilização de Si como semicondutor está sendo reavaliada, de modo a ser substituída por semicondutores que forneçam maior velocidade de processamento, como o Ge. Embora sejam conhecidos métodos precisos de preparação e limpeza de superfícies de Si, pouco se conhece sobre o Ge. Utilizando ferramentas analíticas presentes no Laboratório de Implantação Iônica da UFRGS, em conjunto com o apoio do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies, foi possível investigar diferentes processos de limpeza e passivação da superfície do Ge, assim como obter uma caracterização físico-química detalhada de superfícies preparadas com diferentes agentes passivantes e de filmes dielétricos nanométricos depositados sobre as mesmas. O efeito de diferentes tratamentos pós-deposição bem como a estabilidade térmica das estruturas formadas também foram investigados.

Minientrevista com o coordenador do Laboratório de Implantação Iônica, professor Pedro Luís Grande

O físico Pedro Luís Grande coordena o Laboratório de Implantação Iônica desde 2009. Professor da UFRGS, possui graduação (1985) e doutorado (1989) em Física pela universidade federal gaúcha. Realizou pesquisas de pós-doutorado no Instituto Hahn-Meitner da Alemanha e na Universidade Nacional Australiana. Bolsista de produtividade em pesquisa nível 1B do CNPq, é autor de mais de 130 artigos publicados em revistas internacionais indexadas, contando com mais de 1.800 citações. Tem experiência em processos de colisão e interações de átomos e moléculas, atuando principalmente nos seguintes temas: perda de energia (energy loss), implantação iônica e análise e modificação de materiais por feixes iônicos.

1. Quais foram, na sua avaliação, os principais resultados conseguidos por seu grupo no contexto do nosso INCT?

O Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies tem contribuído decisivamente para a manutenção do Laboratório de Implantação Iônica, viabilizando assim, um conjunto de facilidades de primeiro mundo (o maior laboratório de feixe de íons da América Latina e um dos maiores do hemisfério sul) num contexto onde os recursos para a manutenção de grandes infraestruturas estão em declínio.

Além de manter a infraestrutura do LII, o Instituto tem permitido aumentar a cooperação internacional e a visibilidade internacional do nosso laboratório, através do apoio de conferências internacionais, que organizamos nos anos de 2011 e 2012, com mais de 500 participantes.

Como decorrência desse apoio, tivemos, nos últimos anos, além de um número considerável de trabalhos publicados, a formação expressiva de recursos humanos (mestres e doutores). Muitos desses já estão empregados em universidades brasileiras e centros de pesquisa na França, Alemanha e Brasil (CEITEC).

Por isso atualmente o Laboratório de Implantação Iônica do IF-UFRGS é uma referência, principalmente na área de nanocaracterização por feixes de íons, e desenvolve projetos em colaborações internacionais com a França, Argentina, Nova Zelândia e Coreia do Sul. Recentemente um novo equipamento de análise de superfícies foi desenvolvido na Coreia do Sul, especificamente para análise de nanoestruturas, através do método de análise de espectros desenvolvido no nosso Laboratório (o software PowerMeis), que será comercializado em breve pela Samsung.

2. Escolha os artigos científicos mais destacados publicados por seu grupo no contexto do Instituto

K.W. Jung, H. Yu, W.J. Min, K.S. Yu, M.A. Sortica, P.L. Grande, D. Moon, Quantitative compositional profiling of conjugated quantum dots with single atomic layer depth resolution via time-of-flight Medium-Energy Ion Scattering Spectroscopy, Anal. Chem. 86, 1091-1097 (2014).

D.F. Sanchez, G. Marmitt, C. Marin, D.L. Baptista, G. M. Azevedo. P.L. Grande, P.F.P. Fichtner. New approach for structural characterization of planar sets of nanoparticles embedded into a solid matrix, ScientificReports 3,1-6 (2013).

M.A. Sortica,P.L. Grande, C. Radtke, L.G. Almeida, R. Debastiani, J.F. Dias, A. Hentz. Structural characterization of CdSe/ZnS quantum dots using médium energy ion scattering. Applied Physics Letters 101, 02311010231104 (2012). 46.

G. Machado, A. F. Feil, P. Migowski,, L. Rossi, M. Giovanela, J. S. Crespo, L. Miotti,, M. A. Sortica, P. L. Grande, M. B. Pereira and R. R. B. Correia. Structural control of gold nanoparticles self-assemblies by layer-by-layer process, Nanoscale, 3, 1717 (2011).

3.Quais benefícios trouxe a seu grupo de pesquisa o fato de ser participante de nosso Instituto.

Os pontos positivos são:

a) visibilidade nacional e internacional

b) trabalho em rede

c) contato com o setor produtivo e indústrias

d) facilidade operacional

Fonte: Gerência de Comunicação do Instituto Nacional de Engenharia de Superfícies