Arquivo da Categoria ‘Física aplicada’

NOVIDADE: Diodo Ferroelétrico Cristalino e Comutável

sexta-feira, 3 de abril de 2009

Foram observados dois efeitos incomuns no comportamento elétrico de um material sólido feito com óxido de ferro e bismuto (BiFeO3):

 

1- o efeito diodo;

2- o efeito fotovoltaico.

 

O diodo – dispositivo eletrônico feito com material semicondutor sólido – tem a função de permitir o fluxo de corrente elétrica no circuito em certo sentido, mas de proibir no sentido inverso.

 

Originalmente, esse efeito foi produzido no interior do semicondutor através da implantação, em regiões espacialmente vizinhas, de átomos doadores – com pelo menos um elétron a mais do que o átomo base do semicondutor – e átomos aceitadores – com pelo menos um elétron a menos do que o átomo base do semicondutor.

 

Mais tarde verificou-se que o efeito diodo também é produzido na interface de dois materiais semicondutores diferentes, a conhecida junção assimétrica.

 

Recentemente, T. Choi e equipe observaram o efeito diodo em um material puro constituído por cristais de óxido de ferro e bismuto (BiFeO3).

 

O fluxo de corrente elétrica unidirecional é devido à polarização elétrica no interior desse material, e o sentido desse fluxo de corrente pode ser revertido (ou comutado) pela inversão da direção de polarização elétrica através de uma tensão elétrica aplicada externamente.

 

Além disso, esses cristais ferroelétricos também geram uma corrente elétrica quando são expostos à luz visível – efeito fotovoltaico – mesmo quando não há tensão elétrica externa aplicada para definir o sentido da corrente gerada pelo efeito fotovoltaico.

 

Segundo os autores, esse comportamento incomum apresentado pelo BiFeO3 revela um tipo desconhecido de condução de carga elétrica que precisa ser identificado.

 

Isso deve reforçar os estudos dos dispositivos eletrônicos multifuncionais fundamentados no óxido de ferro e bismuto.

 

Melhores informações devem ser buscadas no artigo original.

 

T. Choi, S. Lee,* Y. J. Choi, V. Kiryukhin, S.-W. Cheong, Science 3 April 2009:Vol. 324. no. 5923, pp. 63-66.

GRAFENO: Identificação Colorida

quarta-feira, 27 de agosto de 2008

Proveniente da grafite, o grafeno é um material constituído por uma única camada de átomos de carbono organizados em uma estrutura hexagonal, muito parecido com uma única lâmina bem fina dos casulos de mel da colméia.

O material se mostra promissor para várias aplicações, principalmente na eletrônica por causa da alta mobilidade dos elétrons.

Ao utilizar o grafeno, no entanto, é importante saber com quantas camadas você está lidando: se há uma ou mais camadas de grafeno amontoadas.

Na procura de uma solução, a equipe de Wencai Ren e Huiming Cheng da Academia Chinesa de Ciências, em Shenyang, delineou um método ótico para identificar (ou caracterizar) as amostras rapidamente – mesmo em grandes áreas de amostra – e sem danificar o material.

Os métodos óticos utilizados no passado para estudar o grafeno utilizavam luz monocromática, mas as imagens produzidas apresentavam uma variedade de tons que não são facilmente diferenciados sem uma análise mais aprofundada e, em consequência, mais dispendiosa.

O novo método dos pesquisadores utiliza uma gama de comprimentos de onda da luz visível produzindo imagens nas quais as diferentes cores associadas com a quantidade de camadas de grafeno, são facilmente distinguíveis pelo olho humano (foto).

As diferentes cores são produzidas pelas reflexões da luz de diferentes comprimentos de onda a partir das diferentes camadas do grafeno sobre o substrato.

Além disso, os pesquisadores descobriram que com uma ligeira diminuição do intervalo dos comprimentos de onda da luz incidente sobre o grafeno, eles conseguem aumentar esse contraste.

Os resultados deverão ajudar a identificar e preparar as amostras de grafeno ideais para as todas as aplicações.

Você se interressou pelo assunto? Consulte:
Gao, L., Ren, W., Li, F. & Cheng, H. M. Total color difference for rapid and accurate identification of graphene. ACS Nano doi: 10.1021/nn800307s (2008).

Armazenamento de Dados: Resistência com Memória

quarta-feira, 11 de junho de 2008

Os óxidos metálicos estão fornecendo métodos de rápido armazenamento de dados para computadores.

Na Universidade de Pequim a equipe de Jinfeng Kang desenvolveu células de memória feitas com óxido de zinco que são muito promissoras.

Com facilidade as células podem ser eletricamente ligadas entre estados de alta e baixa resistência que podem representar a memória binária dos ‘0 ‘e’1′.
O sistema inclui uma camada de óxido de zinco com 30 nanômetros (30 metros divididos por 1,0 bilhão) de espessura colada entre dois eletrodos de platina e nitreto de titânio (tipo sanduiche).

Os pesquisadores dividiram a chapa da amostra em células de memória com diversos tamanhos e, aplicando diferentes voltagens, descobriram que:

1- a tensão de (+1,2 V) causa uma queda súbita na resistência;

2- isso pode ser revertido para um estado de alta resistência, aplicando a tensão de (-1,2 V).

Essas células de memória operaram com menor tensão do que os dispositivos anteriores feitos com tungstênio e são capazes de reter os estados de alta ou baixa resistência por pelo menos 24 horas.

Para que esse efeito aconteça, os pesquisadores estão supondo que a tensão aplicada em certo sentido causa a migração de elétrons do óxido de zinco, deixando lacunas nos átomos de oxigênio (átomos de oxigênio sem elétron) que facilitam a condução elétrica, caracterizada pela baixa resistência elétrica na célula.

Quando a voltagem é aplicada no sentido oposto, as lacunas nos átomos de oxigênio são neutralizadas pelos íons da camada de nitreto de titânio, fazendo a célula retornar para o estado de alta resistência.

Os detalhes técnicos e científicos desse trabalho são encontrados em:

Xu, N. et al., Bipolar switching behavior in TiN/ZnO/Pt resistive non-volatile memory with fast switching and long retention. Semicond. Sci. Technol. 23, 075019 (2008).

Obs: A figura foi publicada na revista Nature China de 11 de junho de 2008.

FOLHA DE PLÁSTICO FORNECE ENERGIA SEM FIO

quinta-feira, 3 de maio de 2007

Você anda irritado com o emaranhado de cabos de eletricidade sob a sua mesa?

Então seus aborrecimentos estão prestes a se acabar, pois uma folha de plástico inventada por pesquisadores do Japão poderá fazer com que mesas e paredes forneçam energia para os equipamentos eletrônicos colocados em contato com as mesmas – sem nenhuma necessidade de fios, ou plugues.

O computador poderá ser eletricamente carregado através da mesa em que se apóia, por exemplo, ou a televisão com tela plana através da parede onde está pendurada.

A equipe de sete pesquisadores da Universidade de Tokyo produziu uma amostra de folha de plástico, com as dimensões de uma folha de papel de impressora, com a espessura de apenas um milímetro e que pesa 50 gramas.

A mesma pode fornecer até 40 watts de potência para o equipamento que esteja sobre a mesma, ou próximo com uma antena especial. Essa potência é suficiente para acender uma lâmpada, ou ligar um laptop muito pequeno.

Dizem eles que a produção em escala dessas folhas poderá ser bastante barata para difundir a instalação em mesas, assoalhos, tetos e paredes, tornando-se “uma classe nova de dispositivos eletrônicos”.

Descrito no último número da revista Nature Materials, o plástico é constituído por uma camada de transistor feito com o pentaceno, uma molécula orgânica cuja condutividade elétrica pode ser controlada.

Essa camada é coberta por outras camadas contendo as bobinas de cobre que podem detectar a proximidade de um dispositivo eletrônico compatível, os interruptores do sistema micro-eletromecânico (MEMS) que servem para ligar e desligar, e a bobina de cobre (antena) para transmitir a potência elétrica.

Os investigadores informam que a transmissão de potência é feita com 81,4% de eficiência – comparada à eficiência de 93% na rede com fio – com perda muito baixa de radiação eletromagnética.

Como demonstração da alta segurança desse produto, foi feita uma apresentação da folha plástica acendendo um diodo emissor de luz no fundo de uma bacia contendo água e um peixe vivo.

OBS: Para quem se interessar em mais informações: Sekitani T., et al. Nature Materials, advance online publication; doi:10.1038/nmat1903 (2007).

LUZ ALADA

sexta-feira, 27 de abril de 2007

Nos emissores óticos sintéticos feitos em laboratório, tais como os diodos emissores de luz (LED), acontece um paradoxo: a maior parte da luz produzida permanece presa dentro do dispositivo.

Por isso os físicos começaram a explorar as estruturas conhecidas como cristais fotônicos para tentar extrair mais luz.

Mas enquanto eles tentavam forjar os dispositivos mais eficientes, foi identificado que a borboleta “cauda de andorinha” já dominou a arte de emitir luz.

A atraente borboleta Papilio nireus que habita a Ásia oriental e central, tem as asas crivadas com pastilhas iridiscentes emitindo na cor verde-azul.

Para entender melhor as propriedades óticas dessas pastilhas da borboleta, Pete Vukusic e Ian Hooper usaram a microscopia eletrônica (Science 310, 1151; 2005). Suas imagens revelam que as asas dessa borboleta contêm uma intricada estrutura nanométrica de cristais fotônicos naturais.

Uma variedade surpreendente de estruturas fotônicas naturais está sendo descoberta não apenas nas borboletas, mas também em outros insetos, pássaros e peixes.

Isso faz lembrar os pássaros, peixes, insetos e bactérias que se orientam pelo campo magnético terrestre, fenômeno que ainda não conseguimos imitar.

Parece que a nossa tecnologia sempre chega atrasada, pois a natureza foi bem mais rápida!

MANTO DA INVISIBILIDADE – 2

quinta-feira, 26 de abril de 2007

Para ajudar a entender melhor a informação anterior sobre o comportamento da luz nos metamateriais com índice de refração negativo, apresento duas figuras que esquematicamente representam o efeito da refração da luz nesse tipo de material artificial.

Figura 1
As linhas pretas neste desenho mostram os trajetos que os raios luminosos fariam através do dispositivo teórico do “manto da invisibilidade” (cloaking). O dispositivo feito com metamaterial é modelado de tal maneira que distribui os raios de luz em torno da esfera, formando o “manto invisível”.

Figura 2 O diagrama mostra a interpretação teórica de como os raios de luz podem ser curvados em torno de um objeto escondido, fazendo parecer como se um observador estivesse vendo diretamente através do objeto, o qual parece não estar naquele local.
OBS: Essas figuras foram copiadas de Alan Boyle em www.msnbc.msn.com.

MANTO DA INVISIBILIDADE

segunda-feira, 23 de abril de 2007

Vários pesquisadores dizem que estão identificando novos tipos de materiais que podem vestir um manto de invisibilidade em torno dos objetos, realizando uma fantasia tão velha quanto os antigos mitos (o chapéu do deus grego Hermes, ou do romano Mercúrio) e tão recente quanto os filmes de “Star Trek” (o dispositivo das naves de Romulus e Klingon) e as novelas de J. K. Rowllings (o manto de Harry Potter).

“Nós estamos confiantes de que nas atuais freqüências do radar, estes materiais podem ser implementados em mais ou menos 18 meses”, diz John Pendry da Faculdade Imperial de Londres.

Os materiais artificiais, ou os metamaterials, com respostas elétricas e magnéticas ajustáveis, podem apresentar um índice de refração negativo fazendo com que a radiação eletromagnética seja desviada no sentido oposto daquele que ocorre nos materiais naturais (vidro, água etc…).

Por essa razão são capazes de apresentar outros efeitos tais como o da superlente e o manto da invisibilidade (cloaking), os quais têm sido demonstrados para comprimentos de ondas mais longos, ou menores freqüências.

Recentemente a equipe de Henri J. Lezec (Science, pág. 430, 22 março 2007) demonstrou o índice de refração negativo para a luz visível entre o verde e o azul.

Esse resultado experimental potencializa a construção de dispositivos práticos, tais como superlentes, para esta região importante de comprimento de onda.

Superlentes: superando as limitações óticas

sexta-feira, 13 de abril de 2007

Com todo o avanço científico e tecnológico atual, a resolução espacial de um microscópio ótico convencional continua limitada pelo efeito da difração a um valor da ordem de 200 nanômetros (200 m/ 1.000.000.000), e isso nos impede de enxergar claramente todos os objetos com dimensões menores que esse valor, como é o caso das moléculas e dos átomos.

Essa limitação ótica tem incentivado a pesquisa na procura da “superlente” baseada nos metamaterials especialmente estruturados e projetados para exibir um índice de refração negativo, o que poderá superar essa limitação.

Entretanto, as superlentes planares apresentadas até o momento não podem fornecer essa ampliação e isso tem obrigado os pesquisadores a procurarem alternativas. Aqui estão as duas mais recentes pesquisas apresentadas na revista SCIENCE, Volume 315, Edição 5819, publicada em 23 Março 2007.

O pesquisador Smolyaninov e seus colaboradores (pág. 1699) descrevem uma “superlente” ampliadora baseada na propagação do plasma superficial de polaritons.

O objeto a ser focado e ampliado é colocado dentro da região central de sua lente, uma estrutura de círculos concêntricos feitos de um polímero depositado sobre um substrato de ouro.

A luz incidente é dispersada para fora do objeto e cria o plasma de polaritons na superfície da película de ouro. Com a lente estruturada e projetada corretamente, o plasma de polaritons se propaga radialmente para fora através da “lente” de círculos concêntricos.

Dessa maneira a imagem ampliada do objeto pode ser vista no círculo mais externo com um microscópio ótico convencional.

Por sua vez, a equipe Liu (pág. 1686) usou multicamadas curvadas com espessuras na escala nanométrica (1m/1.000.000.000) feitas com prata e alumina para criar a superlente que projeta a imagem de um objeto em uma superfície distante, onde pode ser vista com um microscópio ótico convencional.

Talvez uma dessas “superlentes” consiga concretizar a possibilidade de ensergarmos com muito maior e melhor precisão as partículas que atualmente estão inacessíveis ao nosso olhar.

OBS: 1- a limitação dos atuais microscópios óticos é determinada pela metade do menor comprimento da luz visível – luz violeta – o qual mede cerca de 400 nanômetros.

2- 1,0 nanômetro é igual a 1,0 metro dividido por 1,0 trilhão, ou seja, é a trilhonésima parte de um metro; é nessa escala que são medidos os tamanhos dos átomos, por exemplo.

Física Aplicada: NEURO-IMAGENS

terça-feira, 3 de abril de 2007
Os dispositivos de interferência quântica feitos com materiais supercondutores, ou SQUIDs (sigla de superconducting quantum interference devices), são instrumentos notavelmente sensíveis para detectar campo magnético com baixa intensidade. Quando dispostos em uma estrutura especial tipo “capacete”, podem ser usados para detectar os diminutos campos magnéticos emitidos pelo cérebro humano.
Entretanto, estas máquinas de neuro-imagens tendem a ser grandes e caras, em parte porque os SQUIDs requerem a manutenção contínua de temperatura obtida só com o uso do helio liquefeito, ou seja, ao redor de 4,2 Kelvin.
Pesquisa recente mostrou que alguns gases atômicos também são sensíveis ao campo magnético de baixa intensidade e podem ser usados para detectar os campos magnéticos emitidos pelo coração, bem mais intensos que os campos magnéticos emitidos pelo cérebro.
Refinando esta técnica, o pesquisador Xia e seus colaboradores – Appl. Phys. Lett. 89, 211104 (2006) – conseguiram medir os sinais magnéticos centenas de vezes mais fracos emitidos pelos cérebros humanos.
Uma nuvem de átomos de potássio isolados em uma célula de gás é excitada por luz – excitação ótica produzida por laser – tão eficazmente que obriga todos os átomos a alinharem os spins no mesmo sentido, semelhante a agulhas arrumadas lado a lado com as pontas no mesmo sentido. Então a presença de um campo magnético transversal causa o movimento de precessão nos átomos, o que induz, por sua vez, a rotação ótica de um feixe de prova usado para quantificar o campo. A medida combina a sensibilidade dos SQUIDs em baixa temperatura sem a necessidade de refrigeração criogênica.

OBS: 1) A grandeza física denominada de SPIN faz parte da interpretação quântica e relativística associada a uma propriedade intrínsica da natureza: o dipolo magnético; por meio do comportamento do SPIN são medidas as propriedades magnéticas dos elementos químicos.
2) Quem quiser conhecer melhor o funcionamento dos SQUIDs, pode consultar o site www.lanl.gov/quarterly/q_spring03/squid_text.shtml do Los Alamos National Lab.