Cientistas da Índia criam filmes magnéticos 2D em escala de wafer com técnica inédita

Pesquisadores do Instituto Indiano de Ciência (IISc) alcançaram um marco tecnológico ao desenvolver uma técnica capaz de produzir materiais magnéticos bidimensionais em escala de wafer, superando o limite anterior de pequenas amostras microscópicas.

O feito, descrito em artigo na revista Advanced Materials, representa um salto para a integração desses materiais em dispositivos eletrônicos e spintrônicos de nova geração, como sensores e discos rígidos ultracompactos.

A equipe liderada por Akshay Singh, professor assistente do Departamento de Física do IISc, desenvolveu uma técnica batizada de Deposição Física por Transporte de Vapor (PVTD). O método consiste em aquecer o material até que ele se vaporize, transportá-lo e redepositá-lo sobre uma superfície, formando cristais altamente ordenados e alinhados.

Essa abordagem permitiu o crescimento do composto cloreto de cromo (CrCl3) em camadas atômicas contínuas e com baixíssimo nível de defeitos. Até então, a produção de materiais magnéticos 2D dependia de processos como a esfoliação mecânica, em que camadas são retiradas manualmente de blocos maiores.

Embora útil para pesquisa, essa técnica não se adapta à fabricação em larga escala. O novo processo elimina esse obstáculo, abrindo caminho para a produção industrial de filmes magnéticos ultrafinos com aplicações em armazenamento de dados e sensores de alta sensibilidade.

O avanço exigiu uma série de ajustes finos no equipamento. A equipe reduziu o aquecimento radiativo indesejado, aumentou o fluxo de gás transportador além dos limites convencionais, controlou dinamicamente o suprimento de material durante o crescimento e eliminou completamente oxigênio e umidade do sistema.

Essas medidas foram fundamentais para evitar defeitos estruturais que comprometem as propriedades magnéticas do CrCl3. O estudante de doutorado Vivek Kumar, autor principal do estudo, iniciou o desenvolvimento da técnica em 2023, ao lado de Abhishek Jangid.

Após resultados iniciais insatisfatórios, Kumar redesenhou a câmara de crescimento, escurecendo o interior do forno e criando filtros personalizados para bloquear a entrada de oxigênio e umidade. Ele também solucionou vazamentos de gás inspirando-se em acoplamentos usados por um grupo de pesquisa alemão.

Para conter a radiação luminosa que corroía a superfície do material, os pesquisadores cobriram o tubo de crescimento com papel alumínio, uma solução simples e eficaz. A escolha do substrato foi outro fator decisivo.

Após testar dióxido de silício e safira, a equipe descobriu que a mica sintética oferecia as melhores condições para o crescimento do CrCl3. A estrutura cristalina da mica, composta por camadas fracamente ligadas e sem ligações pendentes na superfície, favorece o alinhamento ordenado dos átomos do material magnético.

Kumar comparou o processo à montagem de peças de Lego, destacando que uma base bem estruturada é essencial para um crescimento uniforme. Outro ponto de inovação foi o uso de fluxos de gás extremamente altos, algo incomum em deposições convencionais.

Essa estratégia resultou em filmes coesos e com rugosidade mínima, condição ideal para aplicações eletrônicas. Além disso, os cientistas conseguiram transferir os filmes crescidos para outros substratos, etapa indispensável para integrar os materiais a plataformas tecnológicas existentes.

Para compreender os mecanismos atômicos por trás do processo, o grupo combinou experimentos com simulações de larga escala baseadas em teoria do funcional da densidade e dinâmica molecular assistida por aprendizado de máquina. A colaboração com o professor Ananth Govind Rajan, do Departamento de Engenharia Química do IISc, revelou que a mica fluorada facilita a difusão e a formação ordenada de cadeias, elementos-chave para o crescimento do CrCl3 em duas dimensões.

As simulações também explicaram a extrema sensibilidade do material à presença de oxigênio e umidade. De acordo com Singh, embora o estudo tenha se concentrado em um material magnético específico, o método pode ser aplicado a outros compostos sensíveis à luz ou ao ar.

A descoberta abre uma nova fronteira na fabricação de materiais 2D de alta pureza, com potencial para revolucionar a eletrônica e impulsionar a soberania tecnológica de nações emergentes na corrida global por semicondutores avançados. Confira a cobertura completa em Phys.org.