Uma imagem de microscópio eletrônico de transmissão de varredura revela um belo padrão periódico (chamado de "padrão moiré") resultante da superrede epitaxial de telureto de cromo/disseleneto de tungstênio; sobreposto é o modelo atômico da superrede. Crédito:Mengying Bian e Liang Zhu
Os cientistas desenvolveram filmes finos de dois materiais cristalinos diferentes um sobre o outro usando uma técnica inovadora chamada "epitaxia dativa". Os pesquisadores descobriram o método de surpresa.
Como explica o físico da Universidade de Buffalo, Hao Zeng, a epitaxia dativa mantém camadas de diferentes materiais juntas por meio de uma força atrativa fraca entre os materiais, emparelhada com ligações químicas ocasionais chamadas "ligações dativas".
"Eu comparo isso a colocar o piso de madeira em sua casa", diz Zeng, professor de física na UB College of Arts and Sciences. "Você coloca alguns pregos para ancorar as tábuas de madeira na superfície. Os laços dativos são como esses pregos."
A pesquisa é empolgante, diz Zeng, porque novas formas de camadas de filmes “podem ter impactos de longo alcance nos campos de semicondutores, tecnologia quântica e energia renovável”.
Zeng e colegas relatam sobre epitaxia dativa em um artigo de março em
Materiais Avançados .
Uma descoberta 'fortuita' "Não começamos com a ideia de epitaxia dativa", diz Zeng. "Eu diria que foi uma descoberta fortuita. Inicialmente, estávamos tentando cultivar ímãs atomicamente finos em uma camada de material de van der Waals, que atua como um modelo para promover o crescimento 2D."
Como parte dessa criação de ímãs, Bian, pesquisador de pós-doutorado em física da UB, desenvolveu uma camada superfina de telureto de cromo sobre uma "monocamada" superfina de disseleneto de tungstênio.
Uma imagem de microscópio mostra vários cristais superfinos de telureto de cromo cultivados sobre disseleneto de tungstênio. O alinhamento preciso dos cristais uns com os outros é uma indicação de epitaxia dativa, o método pelo qual os cristais foram cultivados. Crédito:Mengying Bian
Os cientistas pensaram que os dois filmes seriam mantidos juntos apenas por uma fraca atração entre os materiais, conhecida como força de van der Waals. Mas uma olhada ao microscópio revelou algo inesperado.
"Quando Mengying entrou no escritório e me mostrou esta imagem de microscópio muito bonita, percebemos imediatamente que havia algo incomum", lembra Zeng. "Os cristais pareciam estar perfeitamente alinhados um com o outro, e esse tipo de alinhamento perfeito sugeria que talvez não fosse a epitaxia de van der Waals que esperávamos. Na epitaxia de van der Waals, a orientação das camadas não pode ser controlada com muita precisão porque as camadas não estão interagindo fortemente umas com as outras."
Após mais análises experimentais e teóricas, em colaboração com Renat Sabirianov, Ph.D., da Universidade de Nebraska em Omaha, os pesquisadores concluíram que, além da força de van der Waals, ligações dativas "esporádicas" conectavam os dois filmes.
Então veio outra surpresa. Quando Zeng procurou literatura existente sobre epitaxia dativa, ele encontrou apenas uma:um trabalho teórico recente que previa a epitaxia de van der Waals com vínculo dativo. O estudo foi conduzido – novamente, por acaso – por seu colaborador de longa data no Rensselaer Polytechnic Institute, Shengbai Zhang, Ph.D. Zhang "ficou muito animado ao saber que nossa descoberta experimental verificou sua hipótese", diz Zeng.
'Princípio Cachinhos Dourados' da epitaxia A UB apresentou um pedido de patente provisório para métodos de epitaxia dativa e está procurando expandir essa pesquisa por meio da colaboração com a indústria e parceiros de pesquisa. Zeng e Bian dizem que a técnica representa um "princípio Goldilocks" quando se trata de camadas de filmes cristalinos.
UB physics postdoctoral researcher Mengying Bian works with a dual chamber thin film deposition system. Credit:Douglas Levere / University at Buffalo
Epitaxy involves growing one crystalline material on another crystalline substrate, with a well-defined orientation relationship between them. Conventional epitaxy requires that two materials share similar lattice spacing, which has to do with the distance between atoms. Van der Waals epitaxy overcomes this hurdle but can lead to crystals growing in the wrong direction.
"Dative epitaxy circumvents the stringent lattice-matching requirements in conventional epitaxy, while also taking advantage of the formation of special chemical bonds to fix crystal orientation," Bian says.
"Dative epitaxy could allow a broader range of materials to be grown. It really gives people a lot of flexibility and choice," Zeng says. "It's the Goldilocks principle in epitaxy:It captures the benefits of conventional and van der Waals epitaxial techniques, but addresses the drawbacks of both."
Given these advantages, Zeng says, their "technique could open the door to high-quality epitaxial growth of a variety of compound semiconductor thin films, such as, potentially, gallium arsenide or gallium nitride on silicon wafers. Integrating these materials are super important to the semiconductor industry, which has been a longstanding challenge due to the limitations of other forms of epitaxy."
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