departamentos

Laboratório de Pesquisas em Dispositivos (LPD)

Docentes

Prof. Dr. Newton Cesario Frateschi (Responsável)

Prof. Dr. Gustavo Silva Wiederhecker

Prof. Dr. Mauro Monteiro Garcia de Carvalho

Prof. Dr. Thiago Pedro Mayer Alegre

Funcionários

Antonio Augusto de Godoy Von Zuben

Antonio Celso Saragossa Ramos

Pedro Cirilo Brito

Visite a página do grupo

 

O Laboratório de Pesquisas em Dispositivos atua em três áreas intimamente relacionadas:

  • (1) a pesquisa sobre novos materiais e suas propriedades (em particular, materiais semicondutores e biomateriais), e sobre como suas características novas podem ser exploradas;
  • (2) o estudo de dispositivos microeletrônicos e optoeletrônicos e fotônicos feitos com semicondutores, principalmente voltados para comunicações ópticas (ou seja, comunicação feita por meio de fibras ópticas), tais como amplificadores, microlasers e nanolasers, moduladores e sensores ópticos;
  • (3) e, ligando esses dois temas, o processamento de materiais (a transformação dos mesmos para se obter novos materiais ou construir-se dispositivos com eles).

 

NOVOS MATERIAIS

Com a tecnologia atual, pode-se fabricar materiais novos com propriedades originais, adequadas para diversos fins. As pesquisas acadêmicas nessa área aperfeiçoam os métodos para se obtê-los e estudam suas características. Em diversos laboratórios do mundo, há possibilidades até de, em certas condições, projetar materiais ainda não existentes que tenham as propriedades que se deseja (pesquisa sobre “materiais funcionais”). Muitas vezes, o procedimento é usar como base certas regularidades conhecidas que guiam as pesquisas.

Uma das técnicas mais conhecidas usadas pelo Grupo nessa área é a dopagem – ou seja, acrescentar a um material minúsculas quantidades de outra substância. No Grupo, é comum aparecerem misturas onde há um átomo de dopante para cada 50 mil do material principal – mas isso pode chegar, em outros laboratórios, a uma razão de até 1 para 100 milhões.

Em certas substâncias, essas “impurezas”, apesar de tão pequenas, são capazes de mudar drasticamente as propriedades do material. Por exemplo, no silício dopado com gálio ou arsênio, a dopagem faz sua condutividade elétrica subir muitas vezes – até milhares – e também a torna facilmente controlável. Esse controle delicado da condutividade permite, por exemplo, a construção de dispositivos com eles, como transistores, lasers e outros.

Outros fenômenos interessantes explorados nesses estudos são os de interfaces, ou seja, nas junções entre diferentes tipos de materiais; e também os efeitos de tamanho. Estes últimos são importantes para materiais com estruturas (ou “detalhes”) muito pequenos, da ordem de dezenas ou centenas de átomos de diâmetro – tais como nanofios, nanotubos e pontos quânticos. A palavra “nano”, aqui, refere-se ao tamanho de bilionésimos do metro.

Quanto um material se forma em objetos tão pequenos, suas propriedades podem diferir bastante dos casos “grandes” (ou, como são chamados na literatura, "de volume"). A razão é que, nos objetos nanométricos, as características da superfície do material interferem de modo importante nas suas qualidades como um todo. A superfície dos objetos pode ter propriedades bem diferentes do seu interior – veja-se, por exemplo, o caso da tensão superficial da água. As nanoestruturas, portanto, constituem novas possibilidades de materiais com novas características ainda a serem estudadas e exploradas.

Dentre as nanoestruturas mais investigadas no grupo há os nanofios semicondutores (figura abaixo). Estes são fios de um ou mais materiais semicondutores, com até vários microns de comprimento porém até algumas dezenas de nanômetros de largura. Tanto nestes fios, como numa estrutura semicondutora mais convencional em forma de filmes finos superpostos, podemos introduzir pontos quânticos. Estes podem apresentar diversas formas, sendo uma delas pequenas partículas (ou nanocristais) semicondutoras inseridas dentro de outro material semicondutor. Os pontos quânticos funcionam como “armadilhas” inseridas dentro de um material semicondutor, e são capazes de aprisionar elétrons (que, de outra forma, estariam livres para, por exemplo, conduzir eletricidade).

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Nanofios semicondutores. Acima: Esquema de como são crescidos os nanofios. Coloca-se sobre o substrato pequenas partículas de ouro (chamadas catalisadoras), com diâmetros tipicamente entre 5 e 100 nm. Os átomos de índio e arsênio das moléculas que incidem sobre o substrato (na técnica CBE) agregam-se preferencialmente às partículas de ouro, fazendo com que o fio cresça mais rápido que o filme no substrato ao redor. Abaixo: um nanofio de índio e arsênio montado sobre contatos metálicos de ouro (Au), com "soldas" de platina (Pt). A montagem desta "solda" foi realizada nos equipamentos do Centro de Componentes Semicondutores da Unicamp pelo estudante Murilo Neves de Martins. Fonte: Dissertação de mestrado de Angela Carolina Narváez González, IFGW/Unicamp (2008), pág. 17 e 54.

 

O Grupo também investiga materiais e sistemas biológicos. É possível usar para isso os mesmos equipamentos utilizados para o estudo dos outros tipos de materiais. A ideia é utilizar técnicas complementares às já usadas pelos biólogos ou engenheiros de materiais, de modo a adicionar informações aos estudos existentes, numa abordagem original. Um exemplo é o estudo do crescimento da bactéria Xylella fastidiosa numa superfície de celulose, ao invés de no vidro, como geralmente se faz em laboratórios, com o objetivo de compreender como ela consegue se fixar num substrato (a Xylella causa o amarelinho, doença comum em frutas cítricas). Este estudo é feito em colaboração com o Instituto Agronômico de Campinas. Uma das vantagens é que as técnicas utilizadas no LPD permitem a observação das células vivas.

Outro exemplo é investigação da ação de compostos químicos sobre as membranas celulares. Para isso, são feitas membranas artificiais semelhantes às das células vivas (membranas modelo), mas depositadas em uma superfície sólida. Pode-se então investigar, em tempo real, alterações de suas propriedades quando em contato com diferentes quantidades das novas substâncias: mudanças na composição química das membranas, na sua forma, na sua elasticidade. Abaixo, imagens da ação de um anestésico local, a dibucaína, em uma membrana modelo.

bel-lpd-bio Membrana modelo (múltiplas bicamadas de lipídios sustentadas por lâmina de mica) observada por microscopia de força atômica em solução aquosa. Em t=0 foi adicionada o anestésico dibucaína em pequena concentração na célula líquida onde se encontra a membrana. Nota-se nas imagens bicamadas incompletas (com cor mais clara) que gradualmente desaparecem com o tempo devido à ação do anestésico (setas). Após cerca de 3hs, as bicamadas incompletas desaparecem totalmente e a camada inferior já exibe sinais de desestruturação pela ação do anestésico. Fonte: Dissertação de mestrado de Gabriela Simone Lorite, IFGW/Unicamp (2007), p. 45


 

DISPOSITIVOS

Dispositivos são artefatos com alguma função determinada – como lasers, sensores etc. O grupo constrói e aperfeiçoa dispositivos microeletrônicos, optoeletrônicos e fotônicos, principalmente voltados para comunicações ópticas (ou seja, comunicação feita por meio de fibras ópticas). Essa linha de atuação interage bastante com a engenharia e também com a química e a biologia (com no caso de sensores para deteção de níveis de poluição ou de componentes do sangue capazes de dar indicações sobre o estado de saúde de um paciente).

A pesquisa em fotônica e optoeletrônica é estratégica, porque há projeções que dizem que, se a Internet continuar a evoluir como tem acontecido nos últimos anos, será necessário aumentar de 100 a 1000 vezes a capacidade de transmissão de dados da rede. Caso contrário, poderá haver um imenso congestionamento mundial. Para isso, é preciso o desenvolvimento de novas tecnologias não só para as fibras ópticas, mas também para os outros componentes (dispositivos) que fazem parte das redes de comunicações ópticas – amplificadores, lasers, moduladores etc. O Grupo tem investigado bastante as possibilidades de se superar esses problemas por meio da pesquisa em dispositivos mais eficientes.

Há também pesquisas sobre outros artefatos, especialmente nanodispositivos, cujas aplicações são muito variadas e estão ainda sendo exploradas. A nanotecnologia e a nanociência são duas áreas muito promissoras em muitas áreas, da farmacologia à eletrônica. Nanossensores são um dos objetos de estudo do grupo, pois podem apresentar uma sensibilidade muito maior que dispositivos convencionais, justamente pela importância que a superfície (que realiza o sensoriamento) tem em suas propriedades como um todo. Aplicações de nanossensores aparecem, por exemplo, em diagnósticos de enfarte já no primeiro atendimento médico, por meio da análise de proteínas no seu sangue cuja concentração tem correlação com o enfarte. Também podem ser usados para monitoramento ambiental (deteção de níveis de poluição e de contaminação, inclusive de patógenos em plantas).

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Um dos laboratórios do LPD, dedicado aos dispostivos optoeletrônicos.

 

PROCESSAMENTO

A atividade de processamento de materiais, no Grupo, está intimamente imbricada com as partes de novos materiais e de dispositivos. A idéia é investigar os limites das técnicas convencionais e explorar as possibilidades das técnicas mais modernas. Estas últimas têm em comum o poder de ultrapassar o limite de resolução da luz (que é da mesma ordem que seu comprimento de onda).

No processamento, o LPD conta com um laboratório completo, onde estão disponíveis diversas formas de micro- e nanofabricação: equipamentos para litografia óptica, deposição de metais por evaporação, deposição de materiais dielétricos por sistemas de vapor químico assistidos por plasma, sistemas de corrosão por plasma etc.

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Sala limpa de microfabricação

 

Em processamento de materiais, o termo “litografia” refere-se à retirada de partes de um filme (uma finíssima camada de material) a fim de se obter, no final, um artefato com o formato desejado. Finalmente, a caracterização é o estudo das propriedades dos materiais obtidos com esses métodos.

Outra técnica utilizada é a de litografia por feixe de elétrons (“e-beam”). Nela, o feixe incide sobre um filme fino sensível aos elétrons e o “esculpe”, dando-lhe a forma desejada após uma revelação química. Esse método é usado pelo Grupo em colaboração com a Universidade de São Paulo (USP). Outra é a técnica do feixe iônico focalizado, na qual quem faz esse trabalho é um feixe de íons. Ele é usado para produzir microlasers e estruturas fotônicas para ressonadores e para o guiamento de luz; pode também ser usado para crescimento e caracterização de materiais. O sistema de feixes iônicos focalizados utilizado pelo grupo se encontra no Centro de Componentes Semicondutores da Unicamp, com o qual o grupo tem forte interação.

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Guia de onda estrangulado acoplado a um ressonador de nitreto de silício fabricado sobre dióxido de silício em lâminas de silício. Ressonador de microdisco com bombeio eletrônico por pontes de platina.

 

Uma das capacitações do grupo está em crescimento de cristais. O crescimento é uma deposição gradual de átomos ou moléculas sobre um substrato, que vai formando objetos nanométricos (nanofios, microfilmes etc.). Este é realizado no sistema de epitaxia de feixes químicos, o CBE (chemical beam epitaxy). Nele, um gás de moléculas que contém os átomos do material que se deseja formar atinge um substrato, sobre o qual o material cresce. Por exemplo, moléculas contendo arsênio e gálio podem formar um microfilme semicondutor constituído por esses dois elementos.

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Equipamento CBE, no LPD

 

O CBE também pode produzir informações sobre a amostra enquanto ela é formada. Esta técnica – já na área da caracterização – é feita com feixes de elétrons incidindo sobre a amostra. Além desta, o grupo trabalha com um conjunto de técnicas de obtenção de imagens de altíssima resolução comumente chamadas de microscópios de varredura, capazes de distinguir estruturas da mesma ordem de tamanho que o diâmetro de um átomo.

Há vários tipos de microscópios de varredura. Um deles é o microscópio de força atômica. Na versão mostrada na figura abaixo, ele possui uma ponta que se aproxima da superfície do material, mas não a toca (há outros tipos em que ela o toca). Mas a ponta se aproxima tanto que aparece uma força de atração entre ela e a superfície, aparentada com certas forças que mantêm as moléculas das substâncias juntas. A ponta é então atraída em direção à superfície – mas o sistema do microscópio impede que ela desça. A força necessária para manter a ponta na mesma posição, à medida em que ela se desloca sobre a amostra, dá indicações sobre a forma da sua superfície. Assim, se faz um mapa da mesma. Dependendo de como é feita a medida (e de que ponta é utilizada), pode-se obter mapas de diferentes características da amostra, que permitem a caracterização de suas propriedades elétricas, magnéticas e mecânicas (por exemplo, em nível nanométrico).

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Esquema geral do funcionamento de um microscópio de força atômica. Fonte: Wikipedia


 

Outro tipo similar de equipamento, usado para caracterização (também em colaboração com a USP), é o microscópio de varredura óptica de campo próximo (near-field optical scanning microscope). Funciona com luz, mas o limite de resolução normal é ultrapassado colocando-se o detector muito próximo da amostra, a uma distância bem menor que o comprimento de onda; são detectadas as ondas evanescentes, que são uma parte da onda eletromagnética que penetra uma pequenina distância dentro de materiais opacos.

Além destes equipamentos, o grupo utiliza frequentemente o Centro de Nanociência e Nanotecnologia César Lattes (C2Nano) do LNLS. Nesse centro multi-usuário, existe acesso tanto a microscópios eletrônicos de varredura (que mostram a superfície da amostra) quanto de transmissão, que permitem avaliar as propriedades estruturais (cristalinidade, por exemplo) das amostras com resolução atômica.

O grupo dispõe de um parque de equipamentos sofisticados para a caracterização de materiais e dispositivos, que se dá desde em avaliações de morfologia e de propriedades estruturais e eletrônicas até na caracterização completa de dispositivos opoteletrônicos e fotônicos.


HISTÓRIA DO GRUPO

O Laboratório de Pesquisas em Dispositivos foi fundado em 1972 por José Ellis Ripper Filho, recém-chegado dos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos. O objetivo inicial do grupo era pesquisar os lasers necessários para as comunicações por fibra óptica no Brasil. Assim como nas transmissões elétricas são necessários dois elementos - algo para produzir a eletricidade e os fios para conduzi-la -, para as comunicações ópticas, também são necessários: os lasers para produzir a luz e as fibras ópticas para conduzi-las. Os lasers foram pesquisados pelo LPD e as fibras pelo Grupo de Fibras Ópticas, fundado em 1975.

O interesse estatal – O surgimento do grupo está intimamente relacionado com os projetos do governo brasileiro de implementar um sistema nacional de comunicações. Até os anos 1960, o mercado de telefonia brasileiro estava bastante fragmentado, com dezenas de pequenas e grandes empresas, nacionais e estrangeiras. Isso era uma barreira aos projetos de integração nacional e de centralização do governo militar que assumiu após o golpe de 1964. Assim, uma das áreas estratégicas eleitas pelo regime foi a integração do país por meio das telecomunicações. Para alcançar esse objetivo, em 1965 foi criada a Embratel e, em 1972, a Telebrás – que passou então a controlar a própria Embratel e as operadoras estaduais.

A fundação do Grupo Nesse meio tempo, foram iniciadas as pesquisas com semicondutores no IFGW. O trio Ripper, Rogério Cerqueira Leite e Sérgio Porto, que chegou na Unicamp entre 1970 e 1972 (todos tendo trabalhado nos Laboratórios Bell - o mesmo onde os lasers haviam sido aperfeiçoados até o ponto de poderem ser usados nas comunicações ópticas), deu grande impulso nas pesquisas em Física do Estado Sólido no Instituto. Foi definido um programa nessa área constituído por três linhas de pesquisa: (1) produção de dispositivos em si (laser, transistores, diodos); (2) o estudo dos processos básicos para a sua construção (produção de cristais e seus derivados); e (3) o estudo da física básica necessária para isso (a Física do Estado Sólido).

Foi, então, fundado o Departamento de Estado Sólido do IFGW (atualmente, da Matéria Condensada). Logo depois, o de Física Aplicada, este sob a direção de Ripper. Para a parte de dispositivos, em 1971, Ripper e o físico indiano Navin Patel fundaram, no Departamento de Física Aplicada, o Grupo de Dispositivos Semicondutores – mais tarde, chamado Laboratório de Pesquisas em Dispositivos.

Os cientistas entram em campo A Telebrás também planejava investir no desenvolvimento de pesquisas para a formação de um parque industrial brasileiro nessa área. Sabendo dessa intenção, Ripper entrou em contato com a empresa, ainda em 1972. A partir daí, começaram diversos convênios da empresa com a Unicamp e outras universidades nacionais. Um deles foi o Projeto Sistema de Comunicação por Laser, com a Unicamp, coordenado por Ripper. Os lasers seriam desenvolvidos pelo Grupo de Dispositivos Semicondutores.

A aposta nas fibras ópticas Na mesma época, Ripper e Sérgio Porto sugeriram um projeto para desenvolver fibras ópticas no Brasil. Era uma ideia de ponta: apenas dois anos antes, pesquisadores nos Estados Unidos haviam alcançado o grau necessário de aperfeiçoamento das fibras ópticas e dos lasers para viabilizar a construção de sistemas de comunicações ópticas; e o primeiro sistema desse tipo começaria a ser instalado nos EUA em 1978.

As equipes da academia e da empresa A Telebrás aceitou financiar o projeto e, em janeiro de 1974, foi firmado um novo contrato entre a empresa e a Unicamp, que incluiu, no Projeto Sistema de Comunicação por Laser, um Sub-Projeto Fibras Ópticas, que seria produzido pelo Grupo de Fibras Ópticas, depois Grupo de Fenômenos Ultrarrápidos e Comunicações Ópticas (GFURCO). Os lasers continuariam sendo feitos no Grupo de Dispositivos Semicondutores. Além disso, foram envolvidos também grupos da Faculdade de Engenharia Elétrica da Unicamp.

O objetivo do projeto era desenvolver as tecnologias de fabricação de fibras ópticas, lasers e dispositivos e em seguida transferi-las à indústria nacional. Para a transferência, a Telebrás fundou um centro seu, o Centro de Pesquisas em Desenvolvimento e Telecomunicações (CPqD), em Campinas. Ele faria os estudos mais voltados à aplicação direta na indústria, enquanto os grupos da Unicamp cuidariam da fase anterior, mais acadêmica da pesquisa. Mais tarde, em 1981, membros do LPD, do LED (Laboratório de Eletrônica e Dispositivos) e do MGE (Laboratório de Materiais de Grau Eletrônico), estes da antiga Faculdade de Engenharia de Campinas (atualmente desdobrada em diversas faculdades de engenharia na Unicamp), formaram o Centro de Componentes Semicondutores (CCS), na mesma universidade.

A nova tecnologia em ação Nos anos 1980, foi completado o processo de transferência de tecnologia para as empresas, com o contrato entre a Telebrás e a ABC-Xtal, em 1983, para produção de fibras ópticas. Em 1989, Ripper fundou, junto com Francisco Prince, a empresa AsGa, cujo objetivo inicial era fabricar os componentes optoeletrônicos.


Novos tempos

A saída do CPqD A partir do início dos anos 1990, o CPqD começou a deixar aos poucos as pesquisas com as comunicações ópticas. O modelo do governo de desenvolvimento das comunicações estava sofrendo uma mudança que se completou em 1998, quando a Telebrás foi privatizada. Nesse momento, o CPqD abandonou totalmente a pesquisa com fibras ópticas, lasers e microeletrônica e passou a investir apenas nos sistemas de comunicação propriamente ditos.

As interações com empresas e outras instituições continuaram, porém, como no caso da Mectron, AsGa, Padtec, o Centro de Componentes Semicondutores e o Exército brasileiro (para o qual foi desenvolvido um sensor de infravermelho).

Diversificação Os grupos do IFGW envolvidos com as comunicações ópticas passaram, então, a diversificar suas linhas de pesquisa, com um perfil mais acadêmico, ainda que sempre articulando a pesquisa básica com a aplicada. Dispositivos optoeletrônicos para diversas aplicações continuaram a serem pesquisados; foram desenvolvidas investigações sobre os fenômenos de crescimento de micro e nanoestruturas necessárias para a fabricação de tais dispositivos; e apareceram linhas inteiramente novas, como o estudo de sistemas biológicos, com o auxílio dos mesmos equipamentos usados para caracterização de cristais crescidos.

Durante sua existência, o LPD teve 6 coordenadores:

* José Ellis Ripper
* Navin B. Patel
* Carlos A. Ribeiro
* Francisco C. de Prince
* Mauro Monteiro G. de Carvalho
* Marcio Alberto A. Pudenzi
* Mauro Monteiro G. de Carvalho (Atual)

A seção sobre história do Grupo foi baseada, em grande parte, no livreto “Os primórdios das comunicações ópticas no Brasil (1964-1984)”, redigido por Verónica Savignano e cujas pesquisas foram feitas em colaboração com Eliane Valente, Ludmila Maia e Simone Telles; fez parte do evento comemorativo dos 30 anos da primeira fibra óptica brasileira, em 2007, na Unicamp.