Em um exemplo do ditado "tudo velho é novo de novo", engenheiros do MIT relatam uma nova descoberta em semicondutores, materiais conhecidos que têm sido foco de intenso estudo por mais de 100 anos graças às suas muitas aplicações em dispositivos eletrônicos.
A equipe descobriu que esses materiais importantes não apenas se tornam muito mais rígidos em resposta à luz, mas o efeito é reversível quando a luz é desligada. Os engenheiros também explicam o que está acontecendo em escala atômica e mostram como o efeito pode ser ajustado fazendo os materiais de uma certa maneira – introduzindo defeitos específicos – e usando diferentes cores e intensidades de luz.

"Estamos entusiasmados com esses resultados porque descobrimos uma nova direção científica em um campo muito bem trilhado. Além disso, descobrimos que o fenômeno pode estar presente em muitos outros compostos", diz Rafael Jaramillo, o Thomas Lord Professor Associado de Ciência e Engenharia de Materiais no MIT e líder da equipe.

Diz Ju Li, outro professor do MIT envolvido no trabalho, "ver defeitos tendo efeitos tão grandes na resposta elástica é muito surpreendente, o que abre as portas para uma variedade de aplicações. A computação pode nos ajudar a rastrear muitos outros materiais". Li é o professor da Battelle Energy Alliance em Ciência e Engenharia Nuclear (NSE) com uma nomeação conjunta no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (DMSE). Tanto Jaramillo quanto Li também são afiliados ao Laboratório de Pesquisa de Materiais.

O trabalho é relatado na edição de 3 de agosto de Cartas de Revisão Física . O artigo resultante foi destacado como Sugestão dos Editores. É também o foco de uma sinopse para a Revista Física intitulado "Semiconductors in the Spotlight", de Sophia Chen.

Outros autores do artigo são Jiahao Dong e Yifei Li, estudantes de pós-graduação do DMSE que contribuíram igualmente para o trabalho; Yuying Zhou, um estudante de pós-graduação visitante do DMSE do Instituto de Física Aplicada de Xangai; Alan Schwartzman, cientista pesquisador do DMSE; Haowei Xu, estudante de pós-graduação em NSE; e Bilal Azhar, um estudante de DMSE que se formou em 2020.

Problema intrigante

Jaramillo se lembra de ter ficado intrigado com um artigo de 2018 em Ciência mostrando como um semicondutor feito de sulfeto de zinco se torna mais frágil quando exposto à luz. "Quando [os pesquisadores] a iluminaram, ela se comportou como uma bolacha. Ela quebrou. Quando eles apagaram a luz, ela se comportou mais como um ursinho de goma, onde poderia ser espremido sem quebrar em pedaços."

Por quê? Jaramillo e seus colegas decidiram descobrir.

Ao longo do caminho, a equipe não apenas reproduziu o trabalho da Science, mas também mostrou que os semicondutores mudaram sua elasticidade, uma forma de rigidez mecânica, quando expostos à luz.

"Pense em uma bola saltitante", diz Jaramillo. "A razão pela qual ele quica é porque é elástico. Quando você o joga no chão, ele se deforma, mas imediatamente volta (é por isso que ele quica). O que descobrimos, o que foi realmente surpreendente, é que as propriedades elásticas [dos semicondutores ] podem sofrer tremendas mudanças sob iluminação, e que essas mudanças são reversíveis quando a luz é desligada."

O que está acontecendo

No trabalho atual, a equipe fez uma variedade de experimentos com sulfeto de zinco e dois outros semicondutores nos quais mediram a rigidez dos materiais sob diferentes condições, como intensidade da luz, usando uma técnica sensível chamada nanoindentação. Nessa técnica, uma ponta de diamante movida pela superfície do material registra quanta força é necessária para empurrar o pino para os 100 nanômetros superiores, ou bilionésimos de metro, da superfície.

Eles também realizaram simulações de computador do que poderia estar acontecendo em escala atômica, desenvolvendo lentamente uma teoria para o que estava acontecendo. Eles descobriram que os defeitos, ou átomos ausentes, nos materiais desempenhavam um papel significativo na resposta mecânica dos materiais à luz.

"Essas lacunas fazem com que a rede cristalina do material amoleça porque alguns dos átomos estão mais distantes. Pense em pessoas em um vagão de metrô. É mais fácil espremer mais pessoas se houver espaços maiores entre elas", diz Jaramillo.

"Sob a iluminação, os átomos presentes ficam excitados e se tornam mais repelentes. É como se aquelas pessoas no vagão do metrô de repente começassem a dançar e jogar os braços ao redor", continuou ele. O resultado:os átomos resistem mais fortemente a serem empacotados mais próximos e o material torna-se mais rígido mecanicamente.

A equipe descobriu rapidamente que poderia ajustar essa rigidez alterando a intensidade e a cor da luz e projetando defeitos específicos nos materiais. "É bom quando você pode reduzir algo à engenharia de defeitos, porque então você pode se conectar a uma das principais competências dos cientistas de materiais, que é controlar os defeitos", disse Jaramillo. "Isso é praticamente o que fazemos para viver." + Explorar mais

Grande avanço na criação de uma nova família de materiais semicondutores

Esta história foi republicada como cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisa, inovação e ensino do MIT.