Uma ilustração de como o nitreto de titânio cúbico com uma proporção de três para quatro pode ser sintetizado sob pressões e temperaturas extremas em uma bigorna de diamante aquecida a laser. Crédito:Venkata Bhadram.
Uma equipe de cientistas experimentais e computacionais liderados por Tim Strobel e Venkata Bhadram da Carnegie sintetizaram uma forma há muito procurada de nitreto de titânio, Ti 3 N 4 , que tem propriedades mecânicas e optoeletrônicas promissoras.
Nitreto de titânio padrão (TiN), com uma proporção de um para um de titânio e nitrogênio, exibe uma estrutura cristalina semelhante à do sal de cozinha - cloreto de sódio, ou NaCl. É um metal com propriedades abrasivas e, portanto, utilizado para revestimentos de ferramentas e fabricação de eletrodos. Nitreto de titânio com uma proporção de três para quatro de titânio e nitrogênio, chamado nitreto titânico, permaneceu evasivo, apesar das previsões teóricas anteriores de sua existência e do fato de que nitretos com essa proporção foram identificados para os outros membros do grupo do titânio na tabela de período, incluindo zircônio.
Equipe de Strobel e Bhadram - Hanyu Liu da Carnegie, e Rostislav Hrubiak, bem como Vitali B. Prakapenka da Universidade de Chicago, Enshi Xu e Tianshu Li, da George Washington University, e Stephan Lany do Laboratório Nacional de Energia Renovável - aceitou o desafio. Seu trabalho é publicado e destacado como uma sugestão do editor em Materiais de revisão física .
Eles criaram Ti 3 N 4 em uma fase cristalina cúbica usando uma célula de bigorna de diamante aquecida a laser, que foi trazido para cerca de 740, 000 vezes a pressão atmosférica normal (74 gigapascais) e cerca de 2, 200 graus Celsius (2, 500 Kelvin). Ferramentas avançadas de raio-x e espectroscópica confirmaram a estrutura cristalina que a equipe criou sob essas condições, e cálculos teóricos baseados em modelos permitiram prever a natureza termodinâmica e as propriedades físicas do Ti 3 N 4 .
O TiN semelhante ao sal de mesa é metálico, o que significa que pode conduzir um fluxo de elétrons que forma uma corrente. Mas Ti cúbico 3 N 4 é um semicondutor, o que significa que ele pode ter sua condutividade elétrica ligada e desligada. Essa possibilidade é extremamente útil em dispositivos eletrônicos. Semicondutores à base de titânio são particularmente populares como catalisadores para reações de divisão de água solar para produzir hidrogênio, uma fonte de energia limpa e renovável.
Essa capacidade de ligar e desligar a condutividade é possível porque alguns dos elétrons de um semicondutor podem passar de estados de isolamento de baixa energia para estados de condução de alta energia quando submetidos a uma entrada de energia. A energia necessária para iniciar este salto é chamada de gap. A lacuna de banda para Ti3N4 cúbico é maior do que o esperado com base nas previsões do modelo anterior. Além disso, como TiN metálico, Ti 3 N 4 espera-se que exiba excelentes propriedades mecânicas e de resistência ao desgaste.
"Até onde sabemos, este é o primeiro relatório experimental sobre nitreto de titânio semicondutor", disse o autor principal Bhadram. "Acreditamos que este trabalho estimulará mais esforços experimentais e teóricos para projetar novas maneiras de aumentar a escala da síntese de Ti 3 N 4 à pressão ambiente. "
