p Empilhar filmes extremamente finos de material uns sobre os outros pode criar novos materiais com propriedades novas e interessantes. Mas os processos de maior sucesso para construir essas pilhas podem ser tediosos e imperfeitos, e não é adequado para produção em grande escala. p Agora, uma equipe liderada pelo professor de Stanford Hemamala Karunadasa criou uma maneira muito mais simples e rápida de fazer isso. Eles desenvolveram camadas 2D de um dos materiais mais procurados, conhecidos como perovskitas, intercalados com finas camadas de outros materiais em grandes cristais que se montam.

p A montagem ocorre em frascos onde os ingredientes químicos das camadas caem na água, junto com moléculas em forma de barra que direcionam a ação. Cada extremidade de uma barra carrega um modelo para o crescimento de um tipo de camada. À medida que as camadas se cristalizam - um processo semelhante ao de fazer rock candy - as barras automaticamente as ligam na ordem correta.

p "O que é realmente legal é que esses materiais em camadas complexas cristalizam espontaneamente, "disse Michael Aubrey, que era um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Karunadasa na época do estudo.

p Os pesquisadores dizem que seu método estabelece a base para fazer uma ampla gama de semicondutores complexos de uma forma muito mais deliberada, incluindo combinações de materiais que antes não eram conhecidos por formar pares em cristais. Eles descreveram o trabalho em um artigo publicado em Natureza hoje.

p "Estamos muito entusiasmados com esta estratégia geral que pode ser expandida para tantos tipos de materiais, "disse Karunadasa, que é investigador do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES) no Laboratório Nacional de Aceleração SLAC do Departamento de Energia.

p "Em vez de manipular materiais uma camada de cada vez, " ela disse, "estamos apenas jogando os íons em uma panela de água e deixando os íons se reunirem da maneira que desejam. Podemos fazer gramas desse material, e sabemos onde estão os átomos nos cristais. Este nível de precisão me permite saber como as interfaces entre as camadas realmente se parecem, o que é importante para determinar a estrutura eletrônica do material - como seus elétrons se comportam "

p Fácil de fazer, difícil de empilhar

p As perovskitas halogenadas - materiais que têm a mesma estrutura octaédrica dos minerais perovskitas de ocorrência natural - foram montadas na água desde 1900, Aubrey disse. Eles têm muito potencial para absorver com eficiência a luz solar em células solares e convertê-la em eletricidade, mas também são notoriamente instáveis, especialmente no calor, ambientes brilhantemente iluminados nos quais a energia fotovoltaica opera.

p As camadas de perovskitas com outros materiais podem combinar suas propriedades de maneiras que melhoram seu desempenho em aplicações específicas. Mas uma perspectiva ainda mais empolgante é que propriedades inteiramente novas e inesperadas podem surgir nas interfaces onde as camadas se encontram; por exemplo, os cientistas descobriram anteriormente que o empilhamento de filmes finos de dois tipos diferentes de isoladores pode criar um condutor elétrico.

p É difícil prever quais combinações de materiais se revelarão interessantes e úteis. O que mais, fazer materiais em camadas finas tem sido um processo lento, processo meticuloso. As camadas são geralmente feitas descascando filmes com apenas um ou dois átomos de espessura, um por vez, de um pedaço maior de material. É assim que o grafeno é feito de grafite, uma forma pura de carbono usada em grafites de lápis. Em outros casos, esses materiais em camadas finas são feitos em pequenos lotes em temperaturas muito altas.

p "A forma como são feitos não é escalonável e às vezes até difícil de reproduzir de um lote para outro, "Karunadasa disse." Remover camadas com apenas um ou dois átomos de espessura é um trabalho especializado; não é algo que você e eu possamos simplesmente ir para o laboratório e fazer. Essas folhas são como um baralho de cartas muito flexível; quando você tira um, ele pode amassar ou entortar. Portanto, é difícil saber a estrutura exata da pilha final. Há muito poucos precedentes para materiais que se parecem com os que criamos neste estudo. "

p Síntese de doce de rocha

p Este trabalho surgiu da pesquisa do co-autor do estudo Abraham Saldivar Valdes, um estudante de graduação no grupo de Karunadasa na época. Ao longo de vários anos, ele desenvolveu o novo método para fazer com que as estruturas em camadas se montem, que foi expandido pela estudante de graduação Bridget Connor. Enquanto isso, Aubrey descobriu que suas camadas atomicamente finas tinham a mesma estrutura de blocos 3D de materiais semelhantes, cujas propriedades já eram conhecidas, e ele rastreou como as duas camadas diferentes precisam ser ligeiramente distorcidas para compartilhar uma interface. Ele também estudou as propriedades ópticas dos produtos finais com a ajuda do aluno de graduação Kurt Lindquist.

p Criar as estruturas em camadas "é o mesmo processo exato de fazer balas, onde você deixa cair um tarugo de madeira em uma solução saturada de açúcar e os cristais de doce se espalham no tarugo, "Aubrey disse." Mas neste caso os materiais iniciais são diferentes e você não precisa de um tarugo - os cristais começarão a se formar na água ou na superfície do frasco de vidro. "

p A equipe fez seis dos materiais auto-montados, intercalar perovskitas com haletos de metal ou sulfetos de metal, e os examinou com raios-X na Fonte de Luz Avançada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE.

p Na maioria das estruturas, as moléculas da barra mantinham as camadas ligeiramente separadas. Mas em um deles as moléculas de barra colocaram as camadas diretamente em contato umas com as outras para que pudessem formar ligações químicas.

p "Estamos particularmente entusiasmados com este tipo de estrutura onde as camadas são conectadas porque pode levar a propriedades emergentes, como excitações eletrônicas que são distribuídas em ambas as camadas, "Karunadasa disse.

p "E neste caso particular, quando atingimos o material com luz para liberar elétrons e criar buracos carregados positivamente, encontramos os elétrons principalmente em um tipo de camada e os buracos principalmente no outro. Isso é importante em nosso campo, porque permite ajustar esses dois ambientes para obter o comportamento eletrônico que você deseja. "

p Com a nova técnica em mãos, Aubrey disse, "Estamos fazendo muitas explorações agora para descobrir que tipos de estruturas podem ser feitas com ele."