ciencias dos materiais fim

Prévia do material em texto

MATERIAIS SEMICONDUTORES ELETROMAGNÉTICO
Aluno Alisson Roegelin dos Santos graduando de Engenharia de Bioprocessos e Biotecnologia pela Universidade Tecnológica Federal do Paraná campos Dois Vizinhos, trabalho apresentado a Disciplina de Ciências dos Materiais como obtenção parcial de nota, a ser avaliado pela Professora Doutora Lucimara Silva.
INTRODUÇÃO
Com o avanço da tecnologia, mais especificadamente a nanociência e a nanotecnologia, proporcionou a o homem o conhecimento e controle, sobre propriedades fundamentais da matéria. Um grande marco para essa área foi em 1981, com a criação do microscópio de varredura por tunelamento eletrônico, que possibilitou obter imagens de átomos em uma superfície. Oito anos depois, 1989, pesquisadores americanos escreveram o símbolo “IBM” com o posicionamento de átomos de xenônio em uma superfície de níquel; essa foi a primeira demonstração que tinha como objetivo mover átomos individualmente.
Os materiais com dimensões manométricas são chamados de sistemas manométricos. Esses materiais apresentam características interessando quando expostos a uma determinada situação, ou seja, propriedades óticas, magnéticas e eletrônicas distintas de quando não estão em estado manométrico. Oque contribuiu para a criação de novas tecnologias, como lesers constituídos de pontos quânticos, fibras ópticas com pontos quânticos, fotodetectores de infravermelho, diodos emissores de luz, células solares, portas lógicas, materiais biológicos fluorescentes e aplicações à spintrônica (memória de computadores)[1].
Quando um material é exposto a um campo magnético externo, apresenta como resposta uma indução magnética, esse efeito é chamado de propriedade magnética do material. Essa propriedade é exercida por todos os materiais, seja sólido, líquidos ou gasosos, que mostram características magnéticas a em qualquer temperatura. Essas propriedade surge por duas razões, a) capacidade de toda corrente elétrica tem de produzir um campo magnético; e b) dependendo do spin magnético. O momento magnético do spin, é provocado pelo movimento do spin em tono do próprio eixo, representado por uma seta, que possuem dois sentidos ↑ up (para cima) e ↓ down (para baixo), que se combinam em pares dentro de um orbital [2].
Neste sentido, estão sendo realizado pesquisas que visam introduzir pequenas quantidades de materiais magnéticos em materiais condutores, denominados de semicondutores magnéticos diluídos (SMD). Alguns exemplos desses novos materiais são Ga1-xMnxSe, Ga1-xMnxN, Cd1-xMnxSe, Cd1-xCoxSe, Pb1-xMnxSe e Pb1-xMnxS. A figura 1 mostra três ilustrações de materiais formados com semicondutores magnético (ferromagnéticos), semicondutores magnéticos diluídos e semicondutores não-magnéticos (diamagnéticos) [1].
Figura 1 - Rede de três materiais. Sendo (a) semicondutores magnéticos; (b) semicondutores magnéticos diluídos; e (c) não-magnético. Adaptado de Silva (2008).
São diversas as aplicações desses novos materiais. Uma aplicação para a estrutura tipo “b”, ilustrado na imagem 1, são as memórias magnéticas de acesso aleatório (RAM). Elas preservam informações gravadas mesmos após a interrupção da corrente elétrica, sendo que não necessita de eletricidade para disponibiliza-las. Neste casso elas se diferem das memórias de semicondutores (exemplo a RAM), que são lentas e requerem eletricidade quando se deseja acessar informações nela contida. 
Nesta perspectiva o presente trabalho tem como objetivo abordar conceitos fundamentais e aplicações de semicondutores magnéticos. O trabalho foi dividido em três seções; a primeira uma fundamentação teórica dos materiais semicondutores; a segunda uma fundamentação teórica das propriedades magnéticas; e a ultima seção a aplicação dos materiais semicondutores eletromagnéticos. 
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 
Matérias semicondutores (Perin)
Propriedades eletromagnéticas (Alisson)
O eletromagnetismo é uma dos quatros forças fundamentais, e para compreensão dessa força é necessários a contextualização de vários conceitos, que se comportam de acordo com a regra de um campo eletromagnético. 
Existem duas formas de ser expressadas a cargas elétricas; negativa (e-) e positiva (e+). Que esta diretamente ligada com o efeito de repulsão e atração e um estado neutro. Essas cargas foram quantificadas em 1,602177x10-19 coulombs (C), que são iguais em módulos com intensidade oposta, gerando o feito de atração e repulsão.
Um campo elétrico é um intermediador entre as interações das cargas, ele é uma força por unidade de carga, que exerce força sobre outra carga, dependendo de sua disposição no espaço. Em outra palavras ele é a distribuição de cargas no vácuo (espaço vazio), que interagem com todos os outros pontos do espaço, que resulta em cada ponto um valor de campo elétrico. Ele pode ser representado como um campo vetorial, onde ocorre a distribuição de vetores ao redor de um objeto eletricamente carregado.
As linhas representadas na Figura 2 são chamadas de “linhas de forças” (vetores), elas estão representadas como a curva. Essa linhas são as curvas tangentes das somas de cada vetor unitários de cada ponto, que resultam no campo elétrico.
Figura 2 - Linhas de força para um par de cargas puntiformes iguais e opostas. Adaptado de Giovanella (2013)
	Assim como um campo elétrico, o campo magnético gera interação entre cargas. Um campo magnético ocorre devido a movimentação de cagas. A Figura 3 mostra como é possível obter dois tipos de campos magnéticos [3]. 
Figura 3 - Interações de campo magnéticos. Onde; a) campo gerado a partir de cargas elétricas em movimento; e b) um campo gerado a partir de corrente elétrica. Adaptado de Giovanella (2013) 
Campo magnético e os materiais
O efeito diamagnetismo é o fenômeno mais fraco de magnetismo. Ele é produzido devido uma mudança no movimento orbital dos elétrons. Quando expostos a um campo magnético forte (eletroímã), os materiais diamagnéticos são atraídos nas direção do campo que é mais fraca. Esse efeito é exercido por todos os materiais, mas ele é tão fraco que só são observados quando outro tipo de magnetismo esta totalmente ausente. São exemplos de materiais diamagnéticos o óxido de alumínio, cobre, ouro, mercúrio, silício, prata, cloreto de sódio, e zinco.
O efeito de paramagnetimo ocorre em matérias paramagnéticos, são classificados devido na presença de um campo magnético externo, alinham o momento magnético de seus átomos ou moléculas, que exibem uma magnetização diferente de zero apenas quando estão sob efeito do campo magnético. E quando esses campo magnético é retirado param de exibir propriedades magnéticas. Alguns matérias paramagnéticos são o alumínio, cromo, cloreto de cromo, sulfato de manganês, sódio, titânio e zircônio. 
Outas classificação de matérias que exibem propriedades magnéticas são os ferromagnetiscos. Esses materiais se caracteriza por apresentarem um momento magnético permanente na ausência de um campo magnético externo, e exibem uma magnetização muito forte e permanente [4].
Aplicação das propriedades magnéticas dos materiais
Ferromagneticos: Possuem uma característica única, comparando-o com outros metais, cerâmicas e polímeros. Eles são capazes de amplificar um campo magnético externo, que esta sendo aplicado sobre ele. Essa característica é de grande valia para as maquinas elétricas como motores, geradores e transformadores. 
Ferro-silício: As ligas constituídas de ferro e sílica (em concentração menos de 0,5%) são empregadas em motores baratos e nos circuitos magnéticos. As composições de 1 a 2,5% são aplicados a motores, geradores e transformadores de rendimento médio, em que muitos casos o baixo custo do produto vale mais que o auto. As ligas com composição de 2,5 a 3% são muito utilizadas na construção de motores e geradores que deve apresentar um elevado rendimento. As composições entre 3 a 4,5% são utilizadas em transformadores de alta potência, utilizados em escalas industriais.
Ferro-níquel: A ligas compostas de ferro e níquel possuem alta permeabilidadepara baixas indução e são amplamente utilizados no campo da telecomunicação. Utilizados em transformadores específicos, transformadores de instrumentos de medida, bobinas para filtros e cabos submarinos. São extremamente importantes quando quer se obter um equipamento de pequena dimensão, peso e baixa potencia.
Metais amorfos: Esses materiais possuem tendência de conservar sua propriedade na ausência do estimulo que o formou, em outras palavras eles apresentam baixa perda de energia. Esse material proporciona a construção de transformadores de alta potencia em multicamadas de vidros metálicos, a perda no núcleos são de 70% comparados com os ferro-silício. Uma característica interessante é o seu custo e sua resistividade. São empregados para a construção de transformadores de baixa perda de energia e sensores magnéticos [5]. 
APLICAÇÃO DOS SEMICONDUTORES ELETROMAGNÉTICOS NA COMPUTAÇÃO 
A pesquisa e o desenvolvimento de novos matérias vem provocando uma evolução em todos os campos da engenharia, indústria e tecnologia. O ramo eletrônica que obteve varia descobertas em materiais semicondutores que resultaram no desenvolvimento de novos diodos, transmissores e processadores pequenos (conhecidos também como “chips”). Oque esta provocando uma nova revolução da tecnologia eletrônica.
Os materiais semicondutores magnéticos diluídos, são aqueles que apresentam em suas matrizes, átomos com propriedades magnéticas, que estão substituindo os cátions, da matriz puras. 
Eles são sintetizados acrescentando uma pequena quantidade de átomos na matriz. Esse processo, também chamado de dopagem é realizado com íons de metais te transição e terra rara, como; Co, Fe e Mn; que tem produzindo propriedades interessante a temperatura ambiente e acima da mesma. Assim são feita a junção de matérias semicondutores e magnéticos que apresentam características intermediarias.
Os semicondutores GaN, GaP e o ZnO podem ser utilizados como matriz, sendo que devem necessita o entendimento de propriedades ópticas e elétricas. Por exemplo o ZnO é um semicondutor com uma energia de bandgap direto de 3,37 eV a temperatura ambiente, possui ótima resistência mecânica, baixo custo e ambientalmente seguro.
Existem varias técnicas de dopagem desses elementos com características eletromagnéticas em um semicondutor, sendo elas; sol-gel [6], hidrolise forçada, combustão, co-precipitação, hidrotermal, co-precipitação [7]. 
	O empresa Tecmundo, em seu site, trás uma abordagem, sobre a utilização de condutores eletromagnéticos na construção de memórias de computadores. A reportagem aborda a diferença existente entres os dois principais tipos de memórias, a DRAM (Dynamic random access memory – memória dinâmica de acesso aleatório) e SRAM (Static random access memory – memória estática de acesso aleatório).
A a primeira, DRAM é barata, de grande capacidade e baixo consumo energético, mas necessita frequentemente estar conectado a uma conte energética para que seja armazenado as informações. Já a SRAM tem um valor elevado por ser mais complexa, ela oferece uma velocidade de leitura superior e não necessita de alimentação continua para armazenar as informações, é indiferente se esta ou não com alimentação [8].
CONCLUSÃO 
Pare semicondutores
As aplicações para materiais que apresentam características magnéticos é extensa, foi abordado parte dessas aplicações. Sendo que a escolha de um determinado material para uma dada função (equipamento) tem de ser levado em consideração a finalidade do equipamento, custo de seus componentes e eficiência desejada. 
Essa ampla quantidade de matérias, deve-se as constantes pesquisas e descobertas, que voltados para o lado da tecnologia/informática já esta bastante elevada. Mas devido a expansão e a crescente necessidade em que o homem esta sentido para usufruir equipamento cada vez mais sofisticados, que processe informações em uma menor quantidade de tempo, as pesquisas nessas áreas deram apenas seus primeiros passos. 
A memória SRAM é um exemplo claro dessa necessidade. A pesar de ser um material mais caro que as convencionais (DRAM), hoje a maioria dos equipamentos apresentam memoria SRAM, de maior curto. 
REFERÊNCIA
[1] – SILVA, da, S. Ricardo.; Síntese e estudo das propriedades ópticas e magnéticas de pontos quânticos de Pb1-xMnxS crescidos em matrizes vítreas. Tese de Doutorado. Universidade de Brasília Instituto De Física – IF Programa De Pós-Graduação Em Física. BRASÍLIA – DF, 2008. 
[2] – LEITE, C. Rodolpho.; Propriedades magnéticas de memória e envelhecimento, exchange bias e treinamento de nanopartículas do tipo core-shell em regime de interações dipolares fracas e fortes. Tese de Doutorado. Universidade de Brasília Instituto De Física – IF Programa De Pós-Graduação Em Física. BRASÍLIA – DF, 2016.
[3] – CIOVANELLA, Rodrigo.; Influência do campo eletromagnético no comportamento de cupins de madeira seca (cryptotermes brevis). Tese de doutorado. Universidade Federal do Paraná. Programa de pós-graduação em Engenharia Florestal. 2013.
[4] – CALLISTER, D. William.; Ciência e engenharia de materiais: uma introdução. 9º ed, Rio de Janeiro, 2016.
[5] – PINHO, de B. A. C. Luís.; Materiais Magnéticos e suas Aplicações. Dissertação de mestrado. Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto. Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Major Energia. Boa Vista, 2009. 
[6] – LONGEN, R. Fabio.; Semicondutores Magnéticos Diluídos do tipo (Zn, Co, Fe)O Sintetizados por Liofilização. Dissertação de mestrado. Universidade Estadual De Maringá. Pós-Graduação em Física. Paraná, 2010.
[7] LOURENÇO, M. Marcelo.; Síntese, Caracterização e Estudo das Propriedades Magnéticas do Óxido de Zinco Dopado com Cério (Zn1-xCexO). Dissertação de mestrado. INSTITUTO DE QUÍMICA. UNIVERSIDADE FEDERAL DE GOIÁS. Goiânia, 2012.
[8] TECMUNDO.; Memória Spintrônica. Empresa de tecnologia. Disponível em: < https://www.tecmundo.com.br/aumentar-desempenho/3295-memoria-spintronica.htm>. Acessado em 16/11/2017.