UNICAMP Obtém nova família de Vidros Dopados

Oswaldo Luiz Alves

Vidros dopados com microcristalitos semicondutores têm recebido grande atenção em decorrência de suas interessantes propriedades ópticas, cujas aplicações vão desde filtros especiais a matérias-primas para dispositivos optoeletrônicos.

O fenômeno interessante com esses vidros dopados ocorre quando o tamanho dos microcristalitos - também denominados nanocristalitos, já que seu diâmetro é da ordem de 50 Å (angstrom) - é comparável ao do raio de Bohr do éxciton (par formado por um elétron e um buraco no semicondutor). Nesses casos, os vidros dopados podem apresentar os chamados efeitos de confinamento quântico, isto é, os microcristalitos exibem estruturas cristalinas que podem ser essencialmente as mesmas que as do monocristal do semicondutor, mas com propriedades significativamente diferentes deste. Como o comportamento eletrônico desses microcristalitos é função de seu tamanho, esse efeito também passou a ser conhecido como efeito quântico de tamanho (em inglês, quantum size effect) e tem sido observado não só em matrizes vítreas, mas também em sistemas lamelares (compostos com estruturas cristalinas em forma de camadas superpostas), colóides (sistemas com partículas de dimensões inferiores a um mícron) e micelas (agregados de detergentes).

No caso específico de vidros dopados, o efeito de confinamento quântico modifica drasticamente certas propriedades ópticas, entre elas, as de absorção, fotoluminescência e índice de refração não-linear (n₂). Assim, o controle dessas propriedades - sobretudo das ópticas não-lineares - permite a obtenção de materiais que poderiam ser usados em dispositivos optoeletrônicos como chaves ópticas, conversores de freqüência, guias de onda, todos importantes paras as telecomunicações e processamento de informações.

Observe-se que a grande maioria dos estudos realizados com matrizes vítreas - destacam-se aquelas contendo sulfosselenetos de cádmio (CdSeS) - fizeram uso de vidros comerciais, concebidos inicialmente para serem usados como filtros especiais.

Graças a uma bem-sucedida colaboração entre os pesquisadores da Unicamp Luiz C. Barbosa, Carlos L. Cesar e Janúncio M. Neto, do Instituto de Física, e Oswaldo L. Alves, Fernando Galembeck e Francisco Garrido, do Instituto de Química, foi obtida e caracterizada uma nova família de vidros dopados com semicondutores do tipo II-VI, contendo cádmio, telúrio e enxofre [CdTe_1-xS_x], dispersos numa matriz vítrea de borossilicato. Esses vidros foram obtidos pela fusão dos componentes num forno de radiofreqüência - construído no laboratório - à temperatura de 1.400⁰C, apresentando-se incolores nessa fase do processo.

Submetidos a tratamento térmico, a temperaturas em torno de 600⁰C - em diferentes intervalos de tempo - esses vidros adquirem coloração que, dependendo da concentração (x) e do tempo de tratamento, varia do amarelo ao marrom, apresentando red shift (deslocamento para o vermelho) em seus espectros ópticos na região de 200 a 600 nanômetros (nm). Não só os deslocamentos, mas também a estrutura das bandas para dada concentração em função do tempo de tratamento térmico são típicos de sistemas que apresentam efeitos de confinamento quântico.

Amostras contendo microcristalitos de composição nominal CdTe_0,9S_0,1, tratadas por 40 minutos, apresentam diâmetro médio de 39±7 Å. O caráter cristalino dos microcristalitos pode ser inequivocamente observado na figura, onde se tem a difração de elétrons obtida num ponto da amostra através da técnica de microscopia eletrônica de transmissão (MET).

Os resultados aqui sumarizados foram apresentados pela primeira vez no International Symposium on Glasses for Eletronic Applications (EUA), da American Ceramic Society, no final de 1990, e publicados no Ceramic Transactions (vol. 20, p. 161, 1991). Também foram apresentados no encontro Quantum Electronic Laser Science Conference (EUA), em 1991, e publicados no seu proceedings (p. 88, 1991). O artigo "Quantum size effects on the CdTe_1-xS_x semiconductor doped glass", que discute os efeitos de confinamento nesses sistemas, foi publicado recentemente no periódico Applied Physics Letters (vol. 59, p. 2715, 1991).

Deve-se destacar que o domínio da técnica de preparação e caracterização desses vidros coloca os pesquisadores da Unicamp entre os pioneiros na produção de tais materiais, sobretudo aqueles à base de telúrio.

A obtenção de vidros contendo microcristalitos faz parte de um programa mais abrangente - apresentado no workshop "Optoeletrônica", na 43^a Reunião Anual da SBPC, no Rio de Janeiro, em 1991, cujo objetivo é estudar materiais vítreos com pronunciadas propriedades de óptica não-linear. Vale ainda salientar que os pesquisadores Carlos B. Cruz, Hugo Fragnito e Alvin Kiel também participam desse programa nos aspectos relacionados ao estudo de fenômenos ultra-rápidos e de óptica não-linear apresentados por esses novos materiais.

Difração de elétrons para a amostra contendo microcristalitos de composição nominal CdTe_0,9S_0,1 tratada por 40 minutos à temperatura de 580^oC.

Nota do Autor
Este artigo foi publicado primeiramente em Ciência Hoje, volume 12, página 12, (1992). O Autor agradece a Editoria desta revista pela autorização para veiculação por mídia eletrônica.