Ao ficar no caminho, átomos de flúor ajudam a transformar um material bidimensional de semicondutor em metal de uma forma que pode ser muito útil para a eletrônica e outras aplicações.

Um estudo liderado pelo cientista de materiais do Rice Pulickel Ajayan e o autor principal Sruthi Radhakrishnan detalha um novo método para transformar o dissulfeto de tungstênio de um semicondutor em um estado metálico.

Outros laboratórios conseguiram a transformação adicionando elementos ao material - um processo conhecido como doping - mas a mudança nunca antes foi estável. Testes e cálculos em Rice mostraram bloqueios de dissulfeto de tungstênio fluorados no novo estado, que tem propriedades ópticas e magnéticas únicas.

Os pesquisadores também observaram o efeito da transformação nas propriedades tribológicas do material - uma medida de fricção, lubrificação e desgaste. Resumidamente, adicionar flúor torna o material mais escorregadio à temperatura ambiente.

O trabalho do laboratório é detalhado em Materiais avançados .

O dissulfeto de tungstênio é um dichalcogeneto de metal de transição (TMD), um semicondutor com espessura de átomo. Ao contrário do grafeno, que é uma rede plana de átomos de carbono, um TMD incorpora dois elementos, um, um átomo de metal de transição (neste caso, tungstênio) e o outro (enxofre) um calcogênio. O material não é estritamente plano; a camada de metal de transição é imprensada entre o calcogênio, formando uma treliça de três camadas.

TMDs são blocos de construção potenciais com outros materiais 2-D para armazenamento de energia, eletrocatálise e lubrificação, todos os quais são influenciados pela transformação de fase agora estável.

Como os átomos de flúor são muito menores do que o espaço de 0,6 nanômetro entre as camadas de tungstênio e enxofre, os pesquisadores disseram que os átomos invasivos funcionam no meio, perturbando a estrutura ordenada do material. O flúor permite que os planos de enxofre deslizem para um lado ou para o outro, e o comércio resultante de elétrons entre o flúor e o enxofre também é responsável pelas propriedades únicas.

“Foi certamente uma grande surpresa. Quando iniciamos este trabalho, uma transformação de fase era a última coisa que esperávamos ver ", disse Radhakrishnan, um ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Ajayan e agora um engenheiro de módulo na Intel Corp. em Hillsboro, Minério.

"É realmente surpreendente que as características de fricção do dissulfeto de tungstênio fluorado sejam totalmente diferentes do grafeno fluorado que foi estudado antes, "disse o co-autor Tobin Filleter, professor associado de engenharia mecânica da Universidade de Toronto. "Esta é uma motivação para estudar materiais 2-D semelhantes para explorar um comportamento tão interessante."

Os pesquisadores disseram que o flúor parece não apenas diminuir o bandgap e tornar o material mais condutivo, mas também causa defeitos que criam "ilhas" metálicas ao longo da superfície do material, que também exibem propriedades paramagnéticas e ferromagnéticas. "Essas regiões de dissulfeto de tungstênio metálico são magnéticas e interferem umas nas outras, criando propriedades magnéticas interessantes, "Radhakrishnan disse.

Avançar, porque os átomos de flúor são eletricamente negativos, eles também são suspeitos de alterar a densidade de elétrons de átomos vizinhos. Isso muda as propriedades ópticas do material, tornando-o um candidato para aplicações de detecção e catálise. Radhakrishnan sugeriu que os materiais também podem ser úteis em sua fase metálica como eletrodos para supercapacitores e outras aplicações de armazenamento de energia.

Radhakrishnan disse que diferentes concentrações de flúor alteram a proporção da mudança na fase metálica, mas a mudança permaneceu estável em todas as três concentrações que o laboratório estudou.

"A transformação de fase, mudança nas propriedades com funcionalização pelo flúor e suas mudanças magnéticas e tribológicas são muito interessantes, "Ajayan disse." Isso pode ser estendido a outros materiais em camadas 2-D e tenho certeza que abrirá algumas aplicações cativantes. "