Como a tecnologia atual está próxima de seu limite e como o mercado e, por via de conseqüência, a indústria, não cessam de exigir reprodutores de MP3, telefones celulares, câmaras digitais e micros de mão cada vez mais potentes e menores, alguma coisa deve ser feita para reduzir as dimensões dos CIs utilizados para memória de semicondutores. Ou seja: uma nova tecnologia precisa ser desenvolvida.
Com este objetivo em mente os pesquisadores vêm enfrentando o problema em duas frentes. Uma delas, radical, busca a criação de algo completamente novo, menor, mais eficiente. O que resolveria o problema mas exigiria investimentos bilionários já que provavelmente todo o processo de fabricação atual deveria ser abandonado, transformando em sucata fábricas inteiras.
A segunda, visando economia de custos de investimento, busca refinar os processos de fabricação atuais, o que permitiria atingir o objetivo sem deitar a perder as instalações industriais existentes.
Pois bem, no desenvolvimento das novas memórias nanoiônicas de resistência elétrica, a equipe de pesquisadores do CANi buscou trilhar ambos os caminhos: criar um tipo de memória totalmente novo que permita atingir níveis de miniaturização jamais cogitados mantendo, porém, a tecnologia básica de fabricação atual. O que permitirá o aproveitamento, através de meras adaptações, das instalações de fabricação existentes. Uma façanha interessante, sem dúvida.
Mas como isto foi conseguido? De que forma a nanoiônica participa da solução?
Bem, a tecnologia desenvolvida no CANi permite usar os princípios de atração e repulsão elétrica de íons metálicos para mover partículas extremamente pequenas no interior de eletrólitos sólidos empregando um artifício simples: em vez de mover elétrons entre partículas carregadas, os princípios da nanoiônica são usados para ionizar as partículas e mover os íons. Ainda segundo Kozicky: “Nós conseguimos mover coisas do tamanho de vírus entre dois eletrodos para comutar seu estado de alta resistência em baixa resistência elétrica, o que é ótimo para (fabricar) memórias”.
Kozicky e sua equipe batizaram a nova tecnologia de PMC – Programmable Metallization Cell (metalização programável de células). Seus princípios são simples de entender (o difícil, naturalmente, é aplicá-los): usa-se a nanoiônica para criar “nanocondutores” de cobre (fios de cobre com espessura na ordem de nanômetros) entre dois eletrodos, fazendo com que a corrente possa fluir entre eles com resistência relativamente baixa, já que o cobre é um excelente condutor de corrente elétrica (nas memórias de resistência elétrica esta e a forma de se armazenar um bit “um”). E usa-se os mesmos princípios para ionizar a partícula de cobre e movê-la, “abrindo” o circuito entre os eletrodos (e, assim, armazenando um bit “zero”).
Os nanocondutores são criados ionizando átomos de cobre, movendo-os para a região que separa os eletrodos, alinhando-os e removendo a carga elétrica para formar um minúsculo (e bota minúsculo nisso...) fio de átomos de cobre. Os pesquisadores dominaram as características dos eletrólitos sólidos e sua nanoestrutura de tal maneira que conseguem fazer com que o efeito de redistribuição de massa (ou seja, a formação dos nanocondutores) ocorra rapidamente mesmo com polarizações elétricas extremamente baixas e correntes muito pequenas.
Segundo a equipe do CANi, o processo é similar à condensação de um cristal a partir de uma solução, porém com duas diferenças básicas. A primeira é que quem desempenha o papel de “solvente” não é um líquido, mas um composto sólido de silício. A segunda é que o processo é quase infinitamente reversível. Quando se aplica uma carga positiva (ou seja, se remove elétrons) de uma célula através da técnica PMC, os átomos de cobre retomam sua forma ionizada e o nanocondutor se “desmancha”. Aplicando-se a seguir uma carga negativa (ou seja, devolvendo os elétrons), eles se “cristalizam” novamente e recriam o nanocondutor. E como o processo depende do fornecimento de energia apenas no momento de efetuar a mudança de estado, as memórias de resistência elétrica não perdem as informações armazenadas quando se “desliga” o dispositivo (em termos técnicos: não são “voláteis”).
Nas palavras de Kozicky: “Nós desenvolvemos um novo tipo das velhas memórias, mas ele é realmente o tipo perfeito de memória e atende o que será exigido pelas gerações futuras: apresenta baixo consumo de energia, pode ser miniaturizado até a escala nano e pode-se agrupar um bocado delas em um pequeno volume.”
Resumindo: as memórias fabricadas através da tecnologia PMC são extremamente rápidas porque dependem do movimento de íons em distancias muito pequenas, consomem baixíssima energia por dependerem de tensões e correntes de muito baixa potência e, por serem não voláteis, podem substituir as memórias do tipo “flash” em todas as suas aplicações atuais.
Mas esses não são os pontos mais importantes. O que torna as memórias nanoiônicas inigualáveis é que seu custo de fabricação provavelmente será muito baixo.
E a razão disto é simples: os pesquisadores do CANi desenvolveram um processo de fabricação das novas memórias que emprega exatamente os mesmos materiais utilizados atualmente na fabricação de “chips” de memória: a técnica de “dopagem” (Veja, no detalhe ampliado da Figura 1, obtida no sítio da ASU, eletrodos de prata gerados via deposição por dopagem do metal em um eletrólito sólido).
Figura 1: Eletrodos gerados por eletrodeposição em escala nanométrica
Segundo o dicionário Houaiss (rubrica: física da matéria condensada), dopagem é o “processo pelo qual se introduzem impurezas em uma rede cristalina de um semicondutor de maneira a modificar adequadamente suas propriedades físicas”. Na fabricação de CIs de memória estas impurezas costumam ser pequeníssimas quantidades de materiais condutores como Boro, Arsênico ou Fósforo. E, neste processo, foge-se do Cobre como o diabo da cruz.
Pois bem: é justamente o Cobre que é usado como impureza em uma rede cristalina de dióxido de Silício na fabricação das memórias nanoiônicas. Ainda segundo Kozicki: “As pessoas fazem tudo o que podem para manter separados o Cobre e o óxido de Silício mas no nosso caso estamos muito interessados em misturar o cobre de tal forma que ele se torne móvel e possa se movimentar no interior do óxido. Devido a este movimento nós podemos fabricar uma espécie de ‘interruptor’ em escala nano (ou uma “nanochave”). Este pequeníssimo interruptor pode ser usado em aplicações de memória armazenando informações através da variação do valor de sua resistência”.
Ora, como no que diz respeito ao processo de fabricação em escala industrial a diferença entre as memórias atualmente disponíveis e as futuras memórias nanoiônicas é basicamente a natureza da impureza a ser adicionada durante a “dopagem”, as memórias nanoiônicas baseadas em eletrólitos sólidos poderão ser fabricadas usando as mesmas técnicas comumente empregadas para a fabricação industrial das memórias produzidas pela indústria dos semicondutores e grande parte da maquinaria. O que resulta em uma imensa economia, já que bastará introduzir algumas adaptações nas instalações existentes.
Na verdade essa característica possibilita um grau de integração tão grande entre a nova e a “velha” tecnologia que podemos esperar sistemas eletrônico-iônicos em um mesmo “chip”, ou seja, um circuito integrado híbrido que adote ambas as tecnologias.
De acordo com a equipe do CANi, a indústria de eletrônica digital já manifestou interesse nas novas memórias. E três empresas, Micron Technology, Qimonda e Adesto já licenciaram a tecnologia junto ao ramo comercial da ASU, a Axon Technologies. Ainda segundo Kozicky, os primeiros dispositivos contendo memórias nanoiônicas deverão estar disponíveis no mercado em cerca de ano e meio.
E o próprio Kozicky, no artigo “ASU researchers give memory a boost”, acrescenta:
“Tudo isto significa que poderemos substituir (por memórias nanoiônicas de resistência elétrica) as memórias de todo o tipo de aplicações – de micros portáteis a iPods, telefones celulares e mais seja lá o que for. E como seu consumo de energia é muito baixo, poderemos comprimir uma grande capacidade de memória em um pequeno volume, economizando carga da bateria. Além do que, não sendo volátil, será possível desligar o dispositivo sem perder informações. E o que torna tudo isto ainda mais significativo é que fomos capazes de criar um componente que jamais foi imaginado antes usando apenas materiais que já são empregados na indústria de semicondutores”.
Se Kozicky tem razão, prepare-se: dentro de um par de anos haverá um chip de memória nanoiônica em praticamente todo o dispositivo eletrônico que você usar.
Os Supercondutores
A corrente elétrica durante o processo de transporte, que vai das usinas geradoras até os centros consumidores, sofre significativa perda de energia. Essa perda ocorre em razão da resistência elétrica dos fios condutores de eletricidade. Ocorre que boa parte da energia elétrica é transformada em energia térmica, sendo dessa forma dissipada para o meio ambiente. Como forma de diminuir essa perda de energia usa-se fios condutores com baixa resistência como o cobre, por exemplo, e conduz a corrente sob alta-tensão, mas mesmo assim em distâncias que ultrapassam 400 km as perdas ainda acontecem, podendo chegar até 20%. Em virtude disso muitos cientistas buscam conseguir os chamados condutores ideais, aqueles que conduzem energia elétrica sem que ocorram perdas para o meio ambiente. Será possível conseguir esse tipo de condutor?
A supercondutividade é uma propriedade física que certos materiais apresentam quando são esfriados a temperaturas extremamente baixas, podendo conduzir corrente elétrica sem resistências e nem perdas de energia. Esse fenômeno foi descoberto em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlimgh-Onnes, quando observou que a resistência elétrica do mercúrio desaparecia ao ser resfriado a 4K, o que corresponde a – 269,15 °C, dessa forma ele acabava de tornar o mercúrio um material supercondutor. Esse fenômeno, conseguido com o mercúrio, foi verificado para outros metais, no entanto não foi permitida a aplicação, pois eram necessários muitos gastos para conseguir manter temperaturas muito baixas.
Foi com o trio de físicos americanos Jonh Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer que em 1972 surgiu a explicação para o fenômeno da supercondutividade, fato que deu a eles o prêmio Nobel da física naquele ano. O que fez a explicação deles ser tão importante foi o fato de eles mostrarem que esse fenômeno não esta ligado somente à diminuição da agitação térmica dos átomos e moléculas de um material, quando esse está sob baixas temperaturas. Dessa forma surgiu a idéia da possibilidade da existência desse fenômeno com temperaturas muito elevadas, mas as experiências com condutores metálicos relacionadas a essa possibilidade não deram resultados.
Anos mais tarde os físicos da IBM, o suíço Karl Alexander Muller e o alemão Johannes G. Bednorz, conseguiram a supercondutividade a 35 K, o que corresponde a – 238 °C. Graças às suas descobertas e à comprovação da supercondutividade que esses dois físicos cientistas ganharam, em 1986, o prêmio Nobel da física. Esse fato foi um grande avanço para toda ciência e permitiu avanços significativos em vários ramos de pesquisas.
A supercondutividade é muito importante e tem larga aplicação. Essa propriedade não é aplicada somente na transmissão de energia elétrica, mas também em várias outras como:
Na construção de magnetos supercondutores que geram campo magnético extremamente forte, os quais possibilitam a construção dos chamados aceleradores de partículas;
Nos aparelhos eletrônicos que funcionam à base de eletricidade, diminuindo o seu tamanho e o gasto de energia dos mesmos;
Nos fios supercondutores utilizados em computadores, permitindo que os chips sejam cada vez menores e mais rápidos no processamento de dados;
Em ímãs, permitindo que eles possam flutuar sobre a superfície de um material supercondutor. Esse fato possibilita a construção e operação dos chamados trens bala, os quais trafegam apenas flutuando sobre o trilho.
Pequenos isolantes
Para entender o avanço das novidades apresentadas pelos pesquisadores é preciso entrar no mundo dos semicondutores e seus componentes. O primeiro grande sinal de que o novo material em forma de películas, chamadas de filmes finos, à base de titanato de bário e chumbo (PbBaTiO3), possui boas características para integrar um dispositivo de memória computacional está na sua alta constante dielétrica. Quanto maior essa constante, maior a quantidade de elétrons que podem ser arquivados na memória. Esse parâmetro mede quanto o material permite o deslocamento da carga elétrica através de sua superfície para outras camadas internas dos componentes. Na verdade, esses materiais são isolantes, incapazes ou ineficientes para conduzir uma corrente elétrica, ao contrário de um condutor em que a carga flui normalmente. Já os semicondutores, materiais formados por elementos químicos como silício, germânio ou compostos como arseneto de gálio, possuem uma condutividade elétrica intermediária, armazenando menos elétrons que um metal, porém proporcionando um controle mais fácil e ordenado dessas partículas. Num material dielétrico, a carga é deslocada para outro nível dentro dos dispositivos eletrônicos, conhecidos genericamente como chips (um sanduíche de material semicondutor e condutor intercalados por camadas de filmes dielétricos), na forma de descargas, também chamadas de indução, quando sua rigidez dielétrica é superada.
A constante dielétrica do filme de titanato de bário e de chumbo produzido em São Carlos é de 1.800, mais de 250 vezes a de um capacitor (dispositivo que armazena carga elétrica num espaço bem reduzido) usado em circuitos integrados. Os filmes atuais, à base de óxido de silício e de nitreto de silício, apresentam constante dielétrica igual a sete. Em outros produtos resultantes de trabalhos de pesquisadores do CMDMC, além de norte-americanos e japoneses, as maiores constantes dielétricas para esses materiais atingiram a marca de 700 com métodos sofisticados e custosos. "Os chips atuais com constante sete são capazes, por exemplo, de processar memória de 1 gigabyte (GB), enquanto com o material que desenvolvemos poderão chegar aos 250 GB", anuncia o professor Elson Longo, coordenador do Laboratório Interdisciplinar de Eletroquímica e Cerâmica (Liec), do Departamento de Química da Universidade Federal de São Carlos (UFScar) e do CMDMC, chamado de Cepid Cerâmica, que é formado também pelo Instituto de Química (IQ) da Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Araraquara, pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares e pelo Instituto de Química de São Carlos da Universidade de São Paulo.
"Atualmente, nas pastilhas dos semicondutores com 1 centímetro quadrado (cm2) de área é possível arquivar 1 megabyte (MB) de informações. Com a nova memória, será possível arquivar no mesmo espaço 250 MB", diz Longo. "A alta densidade dielétrica, além de representar um avanço para o armazenamento de memória dos capacitores, é necessária para manter a concentração e o armazenamento da carga elétrica dentro dos padrões exigidos para as futuras gerações de memória de acesso aleatório dinâmico, chamadas de Dram (do inglês Dynamic Random Acess Memory), que fazem o armazenamento de dados e de informações dosoftware utilizado no momento do uso do computador, resultando também em um menor consumo de energia elétrica."
Assim, a pesquisa que resultou nos filmes finos de titanato de bário e de chumbo faz parte de uma corrida mundial, com mais de 20 anos de percurso, para superar um dos problemas da microeletrônica: o tamanho da célula de memória. Essa peça está sendo reduzida a cada ano com o objetivo de aumentar o número desses dispositivos e proporcionar maior capacidade de arquivamento e processamento de dados para os computadores. Um caminho que vem da solicitação evolutiva dos softwares, cada vez mais variados, disseminados e sofisticados. A diminuição dos dispositivos de memória também facilita a miniaturização e a criação de novos equipamentos eletrônicos ou o aumento das funções desses aparelhos.
Desde os anos 1970, é permanente a procura pela multiplicação de memória e espaço dentro dos dispositivos semicondutores. A mais famosa predição sobre esse progresso da informática foi feita pelo engenheiro eletrônico Gordon Moore, um dos fundadores da Intel, principal fábrica de semicondutores, instalada nos Estados Unidos. Ele disse que o crescimento da indústria de computadores provocaria o aumento da capacidade de processamento dos chips, que deveria dobrar a cada dois anos. Delineada num artigo escrito por ele, em 1965, para a revista Eletronics , a previsão ficou conhecida mais tarde como a Lei de Moore. Durante esse tempo, a indústria eletroeletrônica tem seguido à risca essa evolução ou até com mais rapidez. O tamanho das memórias RAM, por exemplo, tem quadruplicado a cada três anos.
Ao mesmo tempo, está cada vez mais difícil manter a densidade de elétrons em capacitores, utilizando os atuais derivados do silício. O capacitor, um dos mais importantes elementos desse tipo de dispositivo, tem suas dimensões diminuídas a cada ano. No início dos anos 1990, a área desse componente era de 3,6 mm2. Atualmente, é de 0,1 mm2. A estimativa é de que essa área diminua até 0,04 mm2 entre 2007 e 2010. Também diminui de tamanho e aumenta a quantidade de transistores (ampliadores de sinais elétricos) em equipamentos eletrônicos. Em processadores 8086, introduzidos no mercado em 1978, o número de transistores era de 29 mil unidades. Hoje, com o Pentium 4, a quantidade atinge o 42 milhões de transistores.
Choque da temperatura.
Os tamanhos reduzidos desses componentes trazem um outro problema: o superaquecimento das camadas de óxido de silício. A indústria produtora desses dispositivos lançou-se há alguns anos numa busca incessante para que se evite, no futuro, em capacitores diminutos, a perda de corrente elétrica nos circuitos integrados, abalando, assim, a confiabilidade dos computadores e demais equipamentos eletrônicos. Altas temperaturas não são problema para os filmes desenvolvidos pela equipe coordenada pelo professor Elson Longo. "Os sistemas são confiáveis porque o titanato de bário e chumbo não degrada nas temperaturas que prejudicam os dispositivos atuais. Outra vantagem do novo filme é a sua condição ferroelétrica, que leva vantagem sobre os ferromagnéticos, usados atualmente, porque possuem baixa voltagem de operação, além de menor tamanho, baixo peso e alta velocidade de escrita e leitura, processo que estoca, apaga e imprime os característicos sinais digitais 0 e 1 nas memórias de um computador. "Grandes grupos industriais dos Estados Unidos, Europa e Ásia estão investindo milhões de dólares na obtenção de filmes finos ferroelétricos porque eles são compatíveis e de fácil integração com a atual tecnologia de produção de circuitos integrados que usam chips de silício e de arseneto de gálio", diz Longo.
Mas a grande vantagem industrial do novo filme é seu processo de fabricação. A partir de uma solução orgânica de citrato obtida de ácido cítrico (existente em frutas como laranja e limão) é preparado um composto sólido e com estrutura química polimérica (semelhante aos plásticos) que leva bário, chumbo e titânio como ingredientes. Esse composto é levado a um forno simples com temperatura de até 300º Celsius para a retirada do material orgânico (carbono, principalmente). "Em seguida, utilizamos um forno de microondas doméstico para orientar a cristalização [essencial para se obter uma boa constante dielétrica] e produzir o filme de titanato de bário e chumbo", explica Longo. É a primeira vez que se obtém esse composto por essa técnica. "Talvez a Nasa (a agência espacial norte-americana) e os militares dos Estados Unidos já estejam usando esse titanato em chips que necessitem de um estágio de estabilidade avançado. Porém ele não é fabricado industrialmente, talvez esteja sendo produzido em laboratório por métodos caros e complexos, e sem a constante dielétrica que obtivemos".
Ao contrário das salas ultralimpas, sem nenhum tipo de material contaminante em suspensão, que formam unidades fabris de alta tecnologia ao custo de muitos milhões de dólares, a produção dos filmes de titanato de bário e chumbo poderá ser feita em qualquer ambiente sem nenhum cuidado especial. "Pelos métodos utilizados hoje, esses materiais ficam prontos em cerca de 40 horas. No sistema que desenvolvemos, são duas horas de queima no forno comum e mais dez minutos no microondas para obter o titanato", compara Longo. A FAPESP financiou a patente sobre esse sistema, depositada em julho de 2003, antes, portanto, da publicação, em 12 de janeiro deste ano, de artigo científico na revista Applied Physics Letters , do Instituto Americano de Física, assinado pelo professor Longo e mais os pesquisadores Fenelon Martinho Lima Pontes, Edson Leite, Geovane Pimenta Mambrini e Márcia Tsuyama Escote, da UFScar, e mais o professor José Arana Varela, da Unesp.O mesmo método foi usado para produzir outra inovação do grupo de pesquisadores: um eletrodo de niquelato de lantânio (LaNiO3). Esse material substitui a camada de platina no sanduíche que forma o chip.
Do mesmo modo verificado no titanato de bário, o niquelato foi produzido de um composto, agora formado por níquel e lantânio, que garante as propriedades estruturais do material antes de ir para o forno, ao contrário dos filmes atuais que passam por vários processos de deposição química ou física. Isso significa que a matriz, chamada de precursor polimérico, já possui a memória química que tem a estrutura necessária para se tornar um material semicondutor ou condutor. "Fazemos o material em forma de estrutura polimérica e depois, quando queimamos, fica somente o esqueleto, que é a placa condutora ou dielétrica", diz Longo. "Outro ponto importante é que esses materiais são compatíveis entre si na estrutura química e molecular, facilitando a integração desses filmes num mesmo dispositivo que, normalmente, também possuem ouro como condutor, outro elemento compatível quimicamente."
Bilhões mundiais
As novidades apresentadas pela equipe do professor Longo não devem diminuir de imediato a dependência brasileira de importação de semicondutores, que, em 2003, atingiu US$ 1,7 bilhão, segundo a Associação Brasileira da Indústria Elétrica e Eletrônica (Abinee). Desse total, US$ 1,2 bilhão foi de compras de países do Sudeste Asiático, como Taiwan, Cingapura e Hong Kong. "O Brasil não tem condições sozinho de bancar fábricas de semicondutores que necessitam de alguns bilhões de dólares para serem instaladas",diz Longo. "Mostramos com o nosso trabalho que o Brasil tem competência para desenvolver inovação, além de formar pessoal com ótima qualificação para esse setor." A produção dos filmes de titanato de bário e chumbo e do eletrodo de niquelato de lantânio com a técnica desenvolvida pelo Cepid Cerâmica poderá ser realizada tanto no Brasil como no exterior, conforme a negociação, se resultar positiva, indicar.
Esse é um mercado bilionário que estuda muito bem os novos passos. Não é para menos. No ano passado, as vendas mundiais do setor de semicondutores atingiram US$ 166,4 bilhões, 18,3% maiores que em 2002, segundo a Associação da Indústria de Semicondutores (SIA) dos Estados Unidos. A previsão de crescimento de vendas, formulada por essa entidade para este ano, é de 19%. Um mercado atraente numa atividade, cada vez mais, fundamental.
Referências bibliográficas: http://www.forumpcs.com.br ;http://www.brasilescola.com ; http://www.liec.iq.unesp.br
