p Nada é perfeito, ou assim diz o ditado, e isso nem sempre é uma coisa ruim. Em um estudo do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), cientistas aprenderam como defeitos em nanoescala podem aumentar as propriedades de um ultrafino, o chamado material 2-D. p Eles combinaram uma caixa de ferramentas de técnicas para encontrar o natural, defeitos em nanoescala formados na fabricação de minúsculos flocos de um material de monocamada conhecido como dissulfeto de tungstênio (WS2) e medido seus efeitos eletrônicos em detalhes que não eram possíveis antes.

p "Normalmente dizemos que os defeitos são ruins para um material, "disse Christoph Kastl, um pesquisador de pós-doutorado na Molecular Foundry do Berkeley Lab e o principal autor do estudo, publicado no jornal ACS Nano . "Aqui eles fornecem funcionalidade."

p O dissulfeto de tungstênio é um material 2-D bem estudado que, como outros materiais 2-D de seu tipo, exibe propriedades especiais devido à sua espessura atômica. É particularmente conhecido por sua eficiência na absorção e emissão de luz, e é um semicondutor.

p Os membros desta família de materiais 2-D podem servir como transistores de computador de alta eficiência e como outros componentes eletrônicos, e eles também são os principais candidatos para uso em ultrafinos, células solares de alta eficiência e iluminação LED, bem como em computadores quânticos.

p Esses materiais 2-D também podem ser incorporados em novas formas de armazenamento de memória e transferência de dados, como spintrônica e valetrônica, isso revolucionaria a eletrônica, fazendo uso de materiais de novas maneiras para fazer dispositivos menores e mais eficientes.

p O resultado mais recente marca o primeiro estudo abrangente no Laboratório de Fonte de Luz Avançada (ALS) envolvendo uma técnica chamada nanoARPES, que os pesquisadores recrutaram para sondar as amostras 2-D com raios-X. Os raios X eliminaram os elétrons da amostra, permitindo aos pesquisadores medir sua direção e energia. Isso revelou defeitos em nanoescala e como os elétrons interagem uns com os outros.

p A capacidade do nanoARPES está alojada em uma linha de luz de raios-X, lançado em 2016, conhecido como MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory). É uma das dezenas de linhas de luz especializadas do ALS, que produz luz em diferentes formas - de infravermelho a raios-X - para uma variedade de experimentos simultâneos.

p “É um avanço muito grande conseguir essa estrutura eletrônica em escalas pequenas, "disse Eli Rotenberg, um cientista sênior da equipe da ALS que foi uma força motriz no desenvolvimento do MAESTRO e atuou como um dos líderes do estudo. "Isso é importante para dispositivos reais."

p A equipe também utilizou uma técnica conhecida como XPS (espectroscopia de fotoelétrons de raios-X) para estudar a composição química de uma amostra em escalas muito pequenas; uma forma de AFM (microscopia de força atômica) para visualizar detalhes estruturais que se aproximam da escala atômica; e uma forma combinada de espectroscopia óptica (espectroscopia Raman / fotoluminescência) para estudar como a luz interage com os elétrons em escalas de microscópio.

p As várias técnicas foram aplicadas na Fundição Molecular, onde o material foi sintetizado, e no ALS. A amostra usada no estudo continha microscópica, flocos aproximadamente triangulares, cada um medindo cerca de 1 a 5 mícrons (milionésimos de um metro) de diâmetro. Eles foram cultivados sobre cristais de dióxido de titânio usando um processo de estratificação convencional conhecido como deposição química de vapor, e os defeitos foram amplamente concentrados em torno das bordas dos flocos, uma assinatura do processo de crescimento. A maioria dos experimentos se concentrou em um único floco de dissulfeto de tungstênio.

p Adam Schwartzberg, um cientista da equipe da Molecular Foundry que atuou como co-líder no estudo, disse, "Foi necessária uma combinação de vários tipos de técnicas para definir o que realmente está acontecendo."

p Ele adicionou, "Agora que sabemos quais defeitos temos e que efeito eles têm nas propriedades do material, podemos usar essas informações para reduzir ou eliminar defeitos - ou se você quiser o defeito, nos dá uma maneira de saber onde estão os defeitos, "e fornece uma nova visão sobre como propagar e amplificar os defeitos no processo de produção de amostras.

p Embora a concentração de defeitos de borda nos flocos WS2 fosse geralmente conhecida antes do último estudo, Schwartzberg disse que seus efeitos sobre o desempenho dos materiais não haviam sido estudados anteriormente de forma tão abrangente e detalhada.

p Os pesquisadores descobriram que uma deficiência de 10 por cento em átomos de enxofre estava associada às regiões defeituosas da borda das amostras em comparação com outras regiões, e eles identificaram um mais leve, Deficiência de enxofre de 3 por cento em direção ao centro dos flocos. Os pesquisadores também notaram uma mudança na estrutura eletrônica e maior abundância de portadores de carga elétrica que se movem livremente, associados às áreas com alto defeito nas bordas.

p Para este estudo, os defeitos eram devidos ao processo de crescimento da amostra. Os estudos futuros do nanoARPES se concentrarão em amostras com defeitos que são induzidos por meio de processamento químico ou outros tratamentos. Os pesquisadores esperam controlar a quantidade e os tipos de átomos afetados, e os locais onde esses defeitos estão concentrados nos flocos.

p Esses pequenos ajustes podem ser importantes para processos como catálise, que é usado para melhorar e acelerar muitos processos de produção química industrial importantes, e explorar processos quânticos que dependem da produção de partículas individuais que servem como transportadores de informações na eletrônica.

p Como a pesquisa de WS2 e materiais 2-D relacionados ainda está em sua infância, existem muitas incógnitas sobre as funções que tipos específicos de defeitos desempenham nesses materiais, e Rotenberg observou que há um mundo de possibilidades para a chamada "engenharia de defeitos" nesses materiais.

p Além disso, O nanoARPES da MAESTRO tem a capacidade de estudar as estruturas eletrônicas de pilhas de diferentes tipos de camadas de materiais 2-D. Isso pode ajudar os pesquisadores a entender como suas propriedades dependem de sua disposição física, e explorar dispositivos de trabalho que incorporam materiais 2-D.

p "A pequena escala sem precedentes das medições - atualmente se aproximando de 50 nanômetros - torna o nanoARPES uma grande ferramenta de descoberta que será particularmente útil para entender novos materiais à medida que são inventados, "Rotenberg disse.

p MAESTRO é uma das linhas de luz prioritárias a serem atualizadas como parte do projeto de atualização ALS do laboratório (ALS-U), um grande empreendimento que produzirá ainda mais brilhante, mais feixes de luz focalizados para experimentos. "O projeto ALS-U melhorará ainda mais o desempenho da técnica nanoARPES, "Rotenberg disse, "tornando suas medições 10 a 30 vezes mais eficientes e melhorando significativamente nossa capacidade de alcançar escalas de comprimento ainda mais curtas."

p NanoARPES pode desempenhar um papel importante no desenvolvimento de novas tecnologias solares, porque permite aos pesquisadores ver como as variações em nanoescala na composição química, número de defeitos, e outras características estruturais afetam os elétrons que, em última análise, governam seu desempenho. Esses mesmos problemas são importantes para muitos outros materiais complexos, como supercondutores, ímãs, e termoelétricas - que convertem temperatura em corrente e vice-versa - então o nanoARPES também será muito útil para eles.