Recozimento de Precisão Aumenta Sensibilidade Piezoelétrica de Semicondutor a Níveis Recorde

Sinais de celular mais fortes, sensores mais precisos e energia mais limpa podem ser alcançados adicionando uma etapa simples ao processo de fabricação industrial de certos materiais semicondutores, documentado em um estudo recente liderado por pesquisadores de engenharia da Universidade de Michigan.

Materiais semicondutores com a capacidade de converter tensão mecânica em eletricidade — uma propriedade chamada piezoeletricidade — são componentes essenciais de tecnologias que usamos diariamente. Em celulares, materiais piezoelétricos filtram o sinal recebido da antena para reduzir ruído indesejado. Em carros, eles acionam o airbag e monitoram a pressão dos pneus.

"Nossa equipe aumentou dramaticamente a resposta piezoelétrica de um filme de nitreto de escândio e alumínio, um semicondutor emergente para microeletrônica e fotônica de próxima geração, usando um processo de recozimento bastante simples", disse Zetian Mi, Professor Colegiado Pallab K. Bhattacharya de Engenharia e autor correspondente do estudo na Nature Communications.

Aquecendo o filme a 700 graus Celsius por duas horas em uma câmara especializada, a equipe de Mi melhorou a piezoeletricidade do material oito vezes além da usada na tecnologia atual no mercado.

Melhorada nessa escala, materiais piezoelétricos têm o potencial de transformar tecnologias em diversos setores, desde aeroespacial até saúde e energia. Aumento da sensibilidade à pressão e vibração poderia melhorar sensores que monitoram segurança de equipamentos e saúde estrutural, avançar procedimentos de ultrassom e permitir que semáforos sejam energizados pelo ruído de caminhões na estrada.

Os pesquisadores também descobriram como o processo de aquecimento impulsiona as propriedades do material, corrigindo defeitos nas finas camadas de minúsculos cristais.

"A resposta piezoelétrica deste material é uma contribuição de 'grãos' estruturais orientados em uma direção particular. Quando os filmes são apenas crescidos, esses grãos muitas vezes não estão perfeitamente orientados, com alguns grãos não contribuindo efetivamente para a resposta piezoelétrica geral", disse Shubham Mondal, doutorando em engenharia elétrica e de computação da U-M e co-primeiro autor do estudo.

"O processo de recozimento dá energia adicional ao filme, permitindo que os grãos se tornem melhor orientados. E é partly como a resposta piezoelétrica deles aumenta", disse Md Mehedi Hasan Tanim, doutorando em engenharia elétrica e de computação da U-M e co-primeiro autor do estudo.

A equipe planeja testar o processo de recozimento em nitreto de escândio e alumínio crescido usando métodos que produzem materiais de maior qualidade, como epitaxia de feixe molecular, para ver se podem melhorar a resposta piezoelétrica ainda mais.

Enquanto isso, Mi disse que o material e o processamento necessários para o desempenho piezoelétrico melhorado são virtualmente idênticos aos padrões atuais de fabricação. Os insights do estudo permitem que a indústria avance dramaticamente as capacidades de seus produtos sem custos adicionais significativos.