A lista essencial de materiais eletrônicos

1 Introdução

Os materiais eletrônicos desempenham um papel absolutamente crucial no cenário em rápida evolução da eletrônica moderna. Eles são os blocos de construção fundamentais que sustentam a funcionalidade e o desempenho de uma vasta gama de dispositivos eletrônicos, desde os onipresentes smartphones e laptops até os altamente sofisticados equipamentos aeroespaciais e médicos. Esses materiais determinam as propriedades elétricas, térmicas, mecânicas e ópticas dos dispositivos, determinando, assim, seus recursos e limitações.

O desenvolvimento e a inovação de materiais eletrônicos têm sido a força motriz por trás do progresso contínuo do setor de eletrônicos. Com a demanda cada vez maior por produtos eletrônicos menores, mais rápidos, mais eficientes em termos de energia e altamente confiáveis, a busca e a utilização de materiais eletrônicos avançados se tornaram mais urgentes do que nunca. Nas seções a seguir, faremos uma exploração aprofundada de vários materiais eletrônicos importantes, incluindo silício, carbeto de silício, germânio, compostos de gálio, materiais à base de carbono, materiais condutores e isolantes e materiais magnéticos. Ao compreender suas propriedades exclusivas, processos de fabricação e diversas aplicações, podemos obter uma perspectiva abrangente sobre a importância e o potencial desses materiais na formação do futuro da eletrônica.

2 Silício e materiais relacionados

O silício (Si), número atômico 14, é um material cristalino, quase metálico e semicondutor, duro e quebradiço, com formas amorfas e cristalinas, e é abundante na crosta terrestre. O silício tem quatro elétrons de valência na camada mais externa do átomo e é quimicamente relativamente estável, o que dificulta a reação com outras substâncias em temperatura ambiente. Como material semicondutor, a condutividade elétrica do silício aumenta com o aumento da temperatura e é amplamente utilizada em vários dispositivos eletrônicos.

Na extração e produção de silício, o silício amorfo geralmente é obtido pela redução do dióxido de silício com magnésio. Por outro lado, o silício cristalino é produzido em um forno elétrico pela redução do dióxido de silício com carbono. O silício semicondutor de alta pureza pode ser preparado pela redução de hidrogênio do cloreto de silício. O silício monocristalino geralmente é produzido pelo método Czochralski ou fusão de zona (método FZ), enquanto o silício policristalino é cultivado por solidificação direcional.

O silício tem uma ampla gama de aplicações no setor eletrônico, especialmente como substrato de chip em circuitos integrados, onde é um material ideal para a fabricação de transistores. Além disso, o silício monocristalino, o silício policristalino e os filmes finos de silício são amplamente usados em células solares. No campo dos sistemas microeletromecânicos (MEMS) e sensores, o silício é usado na fabricação de acelerômetros, giroscópios e sensores de pressão. O silício também é usado em eletrônica de potência para fabricar dispositivos semicondutores de potência, como MOSFETs (Transistores de efeito de campo de semicondutores de óxido metálico) e IGBTs (Transistores bipolares de porta isolada). No campo da optoeletrônica, os fotodiodos de silício são amplamente usados em sistemas de comunicação óptica.

As vantagens do silício são as reservas abundantes, a utilização sustentável, a pureza controlada e o baixo custo; no entanto, há algumas desvantagens, como o baixo desempenho em alta temperatura e o intervalo de banda estreito, o que limita seu uso em aplicações de alta velocidade e alta frequência.

Leia mais: Materiais eletrônicos essenciais: Parte 1 - Silício

Fig.1 Produtos de silício

3 Carbeto de silício (SiC)

O carbeto de silício (SiC) é um material semicondutor de banda larga com alta dureza, boa condutividade térmica, alta temperatura e resistência à corrosão. Sua fórmula química é SiC, e há várias estruturas cristalinas, sendo as mais comuns α-SiC e β-SiC. O carbeto de silício produzido industrialmente apresenta cores diferentes devido a diferentes impurezas. Por meio de técnicas de dopagem, é possível alterar sua estrutura de nível de energia e, assim, ajustar suas propriedades eletrônicas e outras propriedades físicas.

Os principais processos de fabricação do carbeto de silício incluem a fusão e a deposição de vapor químico (CVD). O método de fusão forma o carbeto de silício misturando e fundindo silício e grafite em altas temperaturas e, em seguida, resfriando-os. A deposição de vapor químico deposita SiC na superfície do substrato por meio de uma reação química em fase gasosa e é comumente usada para produzir materiais de filme fino de alta qualidade.

O carbeto de silício é usado em uma ampla variedade de aplicações. Na eletrônica de potência, o SiC é usado em dispositivos de conversão de energia para melhorar a eficiência de veículos elétricos e sistemas de energia renovável. Em dispositivos de alta temperatura e alta frequência, o SiC é adequado para estações base 5G e eletrônicos militares devido à sua capacidade de manter uma operação estável em condições extremas. Além disso, o SiC desempenha um papel importante em aplicações de LED e optoeletrônica, inicialmente usado em LEDs azuis e agora usado para detecção de luz em comprimentos de onda específicos. No campo dos sensores, o SiC é comumente usado para detecção em ambientes de alta temperatura, alta pressão e radiação devido à sua confiabilidade em ambientes extremos. A alta confiabilidade do SiC também o torna popular para aplicações aeroespaciais e de defesa.

A vantagem do carbeto de silício é seu excelente desempenho em alta temperatura, alta pressão e alta frequência de alta potência, o que proporciona alta eficiência de conversão de energia. No entanto, ele também tem algumas desvantagens, como custo mais alto, processo de fabricação complexo e a confiabilidade de seus dispositivos ainda precisa ser melhorada.

Leia mais: Materiais eletrônicos essenciais: Parte 2 - Carbeto de silício

Fig. 2 Chip de carbeto de silício

4 Germânio e materiais relacionados

O germânio (Ge) é um elemento semicondutor com um número atômico de 32 e uma estrutura cristalina semelhante à do diamante. O germânio tem uma densidade de 5,323 g/cm³, um ponto de fusão de 937,4°C e um ponto de ebulição de 2833°C. Como material semicondutor, o germânio tem um bandgap de 0,66 eV e apresenta boa condutividade elétrica em baixas temperaturas, com excelência especial em propriedades optoeletrônicas de infravermelho. No entanto, o germânio tem baixa condutividade térmica e um alto grau de fragilidade, propriedades que limitam seu desempenho em determinadas aplicações.

O processo de fabricação do germânio é normalmente usado para preparar o germânio de cristal único pelo método de estiramento reto (método Czochralski) e pelo método de solidificação de gradiente vertical (método VGF). No método de estiramento reto, o líquido de germânio derretido é puxado através da cristalização para obter cristais únicos, enquanto o método de solidificação de gradiente vertical orienta o crescimento dos cristais controlando o gradiente de temperatura para garantir sua qualidade e pureza.

O germânio tem aplicações importantes em vários campos. Na eletrônica de alta velocidade, o germânio é usado em transistores de alta frequência e dispositivos de comunicação sem fio porque tem uma alta mobilidade de elétrons que suporta o processamento de sinais de alta velocidade. Além disso, o germânio é um importante material óptico de infravermelho e é amplamente utilizado em detectores de infravermelho e sistemas de imagem. Devido às suas boas propriedades optoeletrônicas, o germânio também é dopado em fibras ópticas para melhorar o desempenho das fibras ópticas e é usado em comunicações ópticas, dispositivos de conversão fotovoltaica e células solares. Em circuitos integrados, o germânio é combinado com silício para formar ligas que melhoram ainda mais o desempenho. O germânio também é usado na fabricação de lasers semicondutores, dispositivos de carga acoplada (CCDs) e LIDAR, e tem aplicações potenciais em computação quântica e tecnologia quântica.

As principais vantagens do germânio incluem alta mobilidade de elétrons, um baixo bandgap, alta transmitância de infravermelho e boa compatibilidade com o silício, o que o torna adequado para uso em áreas como células solares de alta eficiência e computação quântica. No entanto, ele também tem desvantagens significativas, incluindo baixa condutividade térmica, alto preço, dificuldade de crescimento de cristais e escala de produção industrial restrita, o que representa um desafio para o uso generalizado do germânio.

Leia mais: Materiais eletrônicos essenciais: Parte 3 - Germânio

Fig. 3 Germânio para fabricação de chips

5 Compostos de gálio

Óxido de gálio (Ga2O3): semicondutor de banda larga com várias estruturas cristalinas, como β-Ga2O3, α-Ga2O3 e assim por diante. É quimicamente estável e pode reagir com uma variedade de substâncias. Pode ser preparado pelo método de redução direta, método de deposição de vapor químico e método ácido. Amplamente usado em eletrônica de potência, dispositivos optoeletrônicos (como detectores ultravioleta e LEDs ultravioleta profundos), sensores e outros campos, a escala do mercado está crescendo rapidamente e a cadeia do setor está melhorando gradualmente.

Arsenieto de gálio (GaAs): sólido cinza-preto, ponto de fusão de 1238 °C, é um importante semicondutor composto Ⅲ-V, com estrutura cristalina cúbica, excelentes propriedades eletrônicas, baixo ruído e alta tensão de ruptura. Ele é preparado principalmente por Solidificação de Gradiente Vertical (VGF), Desenho Direto Encapsulado em Líquido (LEC), Bridgman Horizontal (HB), Deposição Química de Vapor (CVD) e outros métodos. É amplamente utilizado em micro-ondas, optoeletrônica, comunicações, células solares, microeletrônica e outros campos.

Nitreto de gálio (GaN): A estrutura cristalina consiste em uma rede de átomos de gálio e nitrogênio com uma ampla lacuna de banda direta, alta dureza, alta condutividade térmica, boa estabilidade química e outras características. É produzido por reações de deposição de vapor químico, como MOCVD e outros métodos. Amplamente utilizado em novos dispositivos eletrônicos (por exemplo, dispositivos de alta potência e alta frequência), dispositivos optoeletrônicos (por exemplo, dispositivos emissores de luz de comprimento de onda curto), sensores e outros campos, o que promove o progresso tecnológico relacionado.

Leia mais: Materiais eletrônicos essenciais: Parte 4 - Compostos de gálio

Fig. 4 Materiais semicondutores de óxido de gálio

6 Materiais à base de carbono

Grafeno: uma estrutura de monocamada na qual os átomos de carbono são hibridizados com sp² para formar uma estrutura hexagonal em forma de favo de mel, com excelentes propriedades ópticas, elétricas e mecânicas. Com alta mobilidade de elétrons, tem aplicações potenciais em circuitos integrados, transistores de efeito de campo, diodos orgânicos emissores de luz, sensores químicos e dispositivos optoeletrônicos.

Nanotubos de carbono (CNTs): Organizados por átomos de carbono em uma estrutura de tubo circular coaxial, com propriedades elétricas exclusivas, divididos em nanotubos de carbono metálicos e semicondutores. Eles podem ser usados para fabricar transistores de efeito de campo de alto desempenho, sensores eletrônicos, células solares etc. para melhorar o desempenho de dispositivos relacionados.

Fulerenos (Fullerenes): são moléculas ocas compostas de átomos de carbono, como C60, etc., com propriedades ópticas, elétricas e químicas especiais. Têm aplicações importantes em capacitores, adesivos condutores, aplicações optoeletrônicas, etc., e podem melhorar a condutividade do eletrodo e a densidade de armazenamento de energia, etc.

Leia mais: Materiais eletrônicos essenciais: Parte 5 - Materiais à base de carbono

Fig. 5 Grafeno

7 Materiais condutores e isolantes

Materiais condutores: metais e ligas devido à facilidade com que o elétron externo do átomo de metal forma elétrons livres e condutores, com alta condutividade elétrica, boa condutividade térmica e resistência mecânica, como cobre, prata, alumínio e suas ligas em fios e cabos, equipamentos eletrônicos e outros campos são amplamente utilizados; cerâmicas condutoras conduzem eletricidade por meio da migração iônica ou do transporte de elétrons, com resistência a altas temperaturas e à corrosão, como óxido de índio e estanho (ITO) para telas sensíveis ao toque etc.; vidro condutor devido à composição do substrato de vidro e do filme condutor de superfície, com condutividade transparente para telas solares, equipamentos eletrônicos e outros campos são amplamente utilizados.Vidro condutor pelo substrato de vidro e pela composição do filme condutor de superfície, com condutividade transparente para células solares, telas de exibição etc.; materiais supercondutores em temperaturas específicas com resistência zero e completamente antimagnéticos. O vidro condutor é composto pelo substrato de vidro e pelo filme condutor de superfície, com condutividade transparente, usado em células solares, telas de exibição etc.; os materiais supercondutores em uma temperatura específica têm resistência zero e são totalmente antimagnéticos, divididos em supercondutividade de baixa temperatura, supercondutividade de alta temperatura e outros tipos de supercondutividade em transmissão de energia, medicina, transporte, tecnologia da informação e outros campos são amplamente usados.

Materiais isolantes: materiais isolantes inorgânicos, como vidro, cerâmica, mica, etc., com alta resistividade, boa resistência ao calor, resistência mecânica e estabilidade química, usados para isolamento elétrico, como vidro para isoladores de alta tensão, cerâmica usada para isolamento de transformadores, etc.; materiais isolantes poliméricos, como PVC, poliimida (PI), politetrafluoretileno (PTFE), etc., com diferentes propriedades e características isolantes. Eles são adequados para diferentes equipamentos eletrônicos e ambientes.

Leia mais: Materiais eletrônicos essenciais: Parte 6 - Materiais condutores e isolantes

Fig. 6 Materiais eletrônicos cerâmicos

8 Materiais magnéticos

Materiais magnéticos duros (ímãs permanentes): como ligas de alnico, ligas de titânio-cobalto, ímãs permanentes de cobalto de terras raras etc., que podem manter o magnetismo por muito tempo após a magnetização e têm alta coercividade, alta remanência e alto produto de energia magnética, sendo usados em motores elétricos, dispositivos eletrônicos a vácuo e dispositivos de micro-ondas.

Materiais magnéticos macios: como ímãs macios de aço silício, ferrite magnética macia etc., baixa coercividade, alta permeabilidade, fáceis de magnetizar e desmagnetizar, amplamente usados em transformadores, motores, indutores, blindagem eletromagnética e outros equipamentos eletrônicos, podem reduzir a perda de energia e melhorar a eficiência.

Ligas magnéticas: compostas de ferro e outros elementos metálicos, elas são divididas em ligas magnéticas macias e ligas magnéticas duras, que são amplamente utilizadas nos campos da eletrônica, comunicações, energia etc., como neodímio-ferro-boro (NdFeB) usado em motores elétricos etc., e ligas de alumínio-níquel-cobalto usadas em ambientes especiais de alta temperatura. As propriedades dos materiais magnéticos, como permeabilidade, densidade de fluxo de saturação, coercividade etc., são essenciais para o desempenho de dispositivos eletrônicos e desempenham um papel fundamental em fontes de alimentação, transformadores, armazenamento de dados, motores, sensores, comunicações sem fio e outros equipamentos.

Leia mais: Materiais eletrônicos essenciais: Parte 7 - Materiais magnéticos

Fig. 7 Ímãs de NdFeB

9 Conclusão

Concluindo, os materiais eletrônicos são o alicerce da eletrônica moderna. O silício tem se destacado, mas materiais como carbeto de silício e compostos de gálio estão surgindo. Os materiais à base de carbono trazem novas oportunidades. Materiais condutores, isolantes e magnéticos também são vitais. As tendências de desenvolvimento apontam para um melhor desempenho e confiabilidade. São feitos esforços para aprimorar materiais como carbeto de silício e nitreto de gálio. A pesquisa sobre materiais à base de carbono concentra-se na síntese e na integração. A pesquisa e a inovação contínuas são fundamentais. Elas atendem às demandas existentes e possibilitam novas tecnologias. A exploração e a otimização de materiais são essenciais para o progresso do setor de eletrônicos.

A Stanford Advanced Materials (SAM) é uma importante fornecedora de materiais eletrônicos de alta qualidade, apoiando essas aplicações críticas com soluções de materiais confiáveis.