p Para ver o que está conduzindo o comportamento exótico em alguns materiais atomicamente finos - ou 2-D, e descobrir o que acontece quando eles são empilhados como tijolos de Lego em diferentes combinações com outros materiais ultrafinos, os cientistas querem observar suas propriedades nas menores escalas possíveis. p Digite MAESTRO, uma plataforma de próxima geração para experimentos de raios-X na Advanced Light Source (ALS) no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), que está fornecendo novas visões em microescala deste estranho mundo 2-D.

p Em um estudo publicado em 22 de janeiro na revista Física da Natureza , os pesquisadores se concentraram em assinaturas de comportamento exótico de elétrons em um material 2-D com resolução em microescala.

p Os novos insights obtidos a partir desses experimentos mostram que as propriedades do material semicondutor 2-D que estudaram, chamado dissulfeto de tungstênio (WS2), pode ser altamente ajustável, com possíveis aplicações para eletrônicos e outras formas de armazenamento de informações, em processamento, e transferência.

p Essas aplicações podem incluir dispositivos de próxima geração gerados em campos emergentes de pesquisa, como a spintrônica, excitônica e valetrônica. Nestes campos, pesquisadores procuram manipular propriedades como momentum e níveis de energia nos elétrons de um material e partículas de contrapartida para transportar e armazenar informações de forma mais eficiente - de forma análoga à inversão de uns e zeros na memória de computador convencional.

p Spintrônica, por exemplo, depende do controle de uma propriedade inerente dos elétrons conhecida como spin, ao invés de sua carga; excitônica poderia multiplicar portadores de carga em dispositivos para melhorar a eficiência em painéis solares e iluminação LED; e a Valleytronics usaria separações nas estruturas eletrônicas de um material como bolsões distintos ou "vales" para armazenar informações.

p O sinal que mediram usando MAESTRO (Microscopic and Electronic Structure Observatory) revelou uma divisão substancialmente aumentada entre dois níveis de energia, ou "bandas, "associada à estrutura eletrônica do material. Essa divisão aumentada é um bom presságio para seu uso potencial em dispositivos spintrônicos.

p WS2 já é conhecido por interagir fortemente com a luz, também. As novas descobertas, juntamente com suas propriedades conhecidas anteriormente, torná-lo um candidato promissor para optoeletrônica, em que a eletrônica pode ser usada para controlar a liberação de luz, e vice versa.

p "Essas propriedades podem ser muito interessantes tecnologicamente, "disse Chris Jozwiak, um cientista da equipe de ALS que co-liderou o estudo. A pesquisa mais recente “em princípio mostra a capacidade de alterar essas propriedades-chave com campos elétricos aplicados em um dispositivo”.

p Ele adicionou, "A capacidade de projetar os recursos das estruturas eletrônicas deste e de outros materiais pode ser muito útil para tornar algumas dessas possibilidades realidade. Estamos agora prestes a poder estudar uma grande variedade de materiais, e medir seu comportamento eletrônico e estudar como esses efeitos se desenvolvem em escalas ainda menores. "

p O estudo também sugere que trions, que são combinações exóticas de três partículas de elétrons e excitons (pares de elétrons ligados e seus "buracos" de carga oposta), poderia explicar os efeitos que mediram no material 2-D. Buracos e elétrons servem como portadores de carga em semicondutores encontrados em dispositivos eletrônicos populares.

p Os pesquisadores usaram uma forma de ARPES (espectroscopia de fotoemissão de ângulo resolvido) na linha de luz MAESTRO para chutar elétrons de amostras com raios-X e aprender sobre a estrutura eletrônica das amostras a partir da direção e energia dos elétrons ejetados. A técnica pode resolver como os elétrons do material interagem uns com os outros.

p "Existem muito poucas observações diretas de uma partícula interagindo com duas ou mais outras partículas, "disse Eli Rotenberg, um cientista sênior da equipe da ALS que conceituou o MAESTRO há mais de uma década. Foi construído com o objetivo de observar diretamente tais interações de "muitos corpos" em detalhes que não eram possíveis antes, ele disse. "Isso é o que pretendíamos quando construímos a linha de luz MAESTRO."

p MAESTRO, que foi inaugurado para cientistas em 2016, também possui várias estações que permitem aos pesquisadores fabricar e manipular amostras para estudos de raios-X, mantendo as condições originais que os protegem de contaminação. MAESTRO é uma entre dezenas de linhas de raio-X no ALS que são especializadas para amostras que vão desde proteínas e vacinas a baterias e meteoritos.

p Além das medidas precisas do MAESTRO, a preparação cuidadosa dos flocos de disfulfide de tungstênio em tamanho suficiente para estudo, e sua transferência para um material de base (substrato) que não impediu suas propriedades eletrônicas ou obstruiu as medições de raios-X também foram vitais para o sucesso do último estudo, Jozwiak observou.

p Jyoti Katoch, o principal autor do estudo e um cientista pesquisador da Universidade Estadual de Ohio, disse, "Os materiais bidimensionais são extremamente sensíveis ao ambiente, portanto, é fundamental compreender totalmente o papel de quaisquer distúrbios externos que afetam suas propriedades. "

p Katoch trabalhou com Roland Kawakami, um professor de física no estado de Ohio, na preparação das amostras e no planejamento do experimento. Eles acoplaram amostras de WS2 ao nitreto de boro, que forneceu um estábulo, plataforma sem interação que foi crucial para as medições de raios-X. Em seguida, eles usaram um metal como um "botão externo" para modificar as propriedades do WS2.

p "Este estudo permite duas descobertas críticas:fornece uma compreensão fundamental e clara de como remover os efeitos externos ao medir as propriedades intrínsecas de materiais 2-D, e nos permite ajustar as propriedades dos materiais 2-D simplesmente modificando seu ambiente. "

p Søren Ulstrup, um professor assistente na Universidade de Aarhus que havia trabalhado nos experimentos WS2 MAESTRO como pesquisador de pós-doutorado, adicionado, "Ver as propriedades eletrônicas intrínsecas das amostras WS2 foi um passo importante, mas talvez a maior surpresa deste estudo tenha surgido quando começamos a aumentar o número de elétrons no sistema - um processo chamado doping.

p "Isso levou à mudança dramática da divisão na estrutura de bandas do WS2, " ele disse, o que sugere a presença de trions.

p MAESTRO pode lidar com tamanhos de amostra muito pequenos, na ordem de dezenas de mícrons, observou Rotenberg, que também é fundamental para estudar este e outros materiais 2-D. "Há um grande esforço para resolver as propriedades dos materiais em escalas cada vez menores, " ele disse, para entender melhor as propriedades fundamentais dos materiais 2-D, e os cientistas agora estão trabalhando para impulsionar os recursos do MAESTRO para estudar recursos ainda menores - até a nanoescala.

p Há uma aceleração da P&D no empilhamento de camadas 2-D para adaptar suas propriedades para aplicações especializadas, Jozwiak disse, e o MAESTRO é adequado para medir as propriedades eletrônicas desses materiais empilhados, também.

p "Podemos ver um impacto muito explícito nas propriedades, combinando dois materiais, e podemos ver como esses efeitos mudam quando mudamos os materiais que estamos combinando, " ele disse.

p "Há uma gama infinita de possibilidades neste mundo de 'Legos 2-D, 'e agora temos outra janela para esses comportamentos fascinantes. "