Uma equipe científica do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia e da Universidade Vanderbilt fez a primeira observação experimental de uma fase material que havia sido prevista, mas nunca vista. A fase recém-descoberta acopla-se a uma fase conhecida para permitir o controle exclusivo sobre as propriedades do material - um avanço que abre caminho para a eventual manipulação da condução elétrica em materiais bidimensionais (2-D), como o grafeno.

A equipe fez a descoberta usando um cristal contendo cobre que é ferroelétrico, ou tem um dipolo elétrico constante que pode ser revertido quando um campo elétrico é aplicado.

"Esses materiais podem se tornar blocos de construção de energia ultrafina e tecnologias eletrônicas, "disse Nina Balke do ORNL, um autor correspondente de um artigo relatando a descoberta em Materiais da Natureza .

A observação mostra propriedades que podem ser aproveitadas para fornecer materiais com novas funções. Essas propriedades dependem da localização dos átomos de cobre no cristal. Os átomos de cobre podem ficar dentro das camadas do cristal ou se deslocar nas lacunas entre as camadas - chamadas de "lacunas de van der Waals" - onde fazem ligações iônicas fracas com as camadas vizinhas e formam a nova fase.

Os cientistas mediram as respostas eletromecânicas em cristais ferroelétricos em camadas de tiofosfato de cobre e índio, ou CIPS. Este material é piezoelétrico, o que significa que suas superfícies ficam carregadas quando ele é esticado ou comprimido. Por outro lado, a aplicação de um campo elétrico faz com que um material piezoelétrico se expanda ou contraia. As propriedades piezoelétricas do CIPS (CuInP ₂ S ₆ ) foram a chave para estudá-lo experimentalmente e também teoricamente para revelar os novos fenômenos.

A pesquisa teórica foi realizada pelo grupo de Sokrates Pantelides, professor da Vanderbilt University e ilustre cientista visitante do ORNL. Usando cálculos quânticos, os membros do grupo moveram o átomo responsável pelo deslocamento polar - cobre - através da estrutura cristalina e calcularam a energia potencial. "Um resultado típico para um material ferroelétrico é que você tem dois mínimos de energia, ou 'poços, 'para este átomo; cada um representa um vetor de polarização, um apontando para cima, o outro para baixo, "disse Pantelides." Para este material, teoria previu quatro mínimos de energia, o que é extremamente incomum. "

A equipe de pesquisa descobriu que os dois mínimos de energia adicionais surgem de uma segunda fase estrutural com o dobro da amplitude de polarização e com uma posição estável para o átomo de cobre na lacuna de van der Waals. Além disso, as constantes piezoelétricas teoricamente previstas para as duas fases polares no CIPS combinaram com as medidas experimentalmente.

"Esta é a primeira observação relatada das propriedades piezoelétricas e ferroelétricas da fase de alta polarização, "disse Balke, o experimentalista líder da equipe. “Era sabido que o cobre pode ir na brecha, mas as consequências para as propriedades piezoelétricas e ferroelétricas não eram conhecidas. Mas no final, isso é o que forma bem o quádruplo. "

Sabine Neumayer, um membro da equipe ORNL, adicionado, "O poço quádruplo abre muitas oportunidades empolgantes, especialmente porque podemos controlar as transições entre esses quatro diferentes estados de polarização usando a temperatura, pressão e campos elétricos. "Normalmente, ferroelétricos são vistos como interruptores entre dois estados. No CIPS, quatro estados são acessíveis.

"CIPS é um dos primeiros materiais ferroelétricos que é nativamente compatível com quase todos os materiais 2-D por causa de sua estrutura de van der Waals. Sempre que você tem forças de van der Waals, isso significa que você pode colocar materiais 2-D juntos e separá-los sem causar grandes danos estruturais, "Peter Maksymovych, outro autor correspondente, disse. "A estrutura de van der Waals é o que permite a clivagem de cristais em massa para criar nanoestruturas 2-D com superfícies limpas."

Cientistas de todo o mundo têm corrido para criar uma interface ativa para materiais 2-D como o grafeno, um material de um átomo de espessura com uma mobilidade de elétrons muito alta. “Imaginamos que no futuro, uma interface ativa para CIPS pode controlar o grafeno via piezoelétrica, ferroelétrico e outras propriedades responsivas, "Maksymovych disse." Isso vai colocar a inteligência no grafeno. "

Michael McGuire na Divisão de Ciência e Tecnologia de Materiais do ORNL cresceu e caracterizou os cristais do estudo com Michael Susner, agora no Laboratório de Pesquisa da Força Aérea. "A competição e a coexistência de múltiplas fases nos cristais tornam esses materiais particularmente excitantes e interessantes, ", disse ele." A capacidade de estudar materiais complexos como esses, tanto teórica quanto experimentalmente, em uma ampla gama de escalas de comprimento com técnicas complementares torna esse tipo de trabalho possível no ORNL. "

Os pesquisadores realizaram experimentos no Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL, onde instrumentação e experiência inigualáveis ​​permitiram medições precisas e análises e interpretações claras de dados complexos. Os experimentos contaram com a microscopia de força de resposta piezoresposta (PFM) para obter imagens e controlar domínios ferroelétricos em escalas de milionésimos a bilionésimos de metros. Uma ponta de prova condutora afiada aplica um campo elétrico à superfície de uma amostra, e a deformação induzida eletromecanicamente do material é inferida do deslocamento da sonda.

"CNMS é a instituição líder mundial em microscopia de força piezoresponse, "disse Maksymovych." Pessoas vêm aqui de todo o mundo para medir as propriedades de suas amostras. "Um grande atrativo é a consulta a membros do grupo de PFM, fornecendo quase meio século de experiência acumulada de inovadores em PFM, como Sergei Kalinin e Stephen Jesse, e os principais nomes em teoria, como Panchapakesan Ganesh e Sokrates Pantelides - todos os autores deste artigo. "Sem essa experiência de longa data, a medição em si pode não ter resultado na imagem coesa que ganhamos, "Balke disse.

Maksymovych acrescentou, "Interpretar dados para poços duplos é um desafio. Poços quádruplos são ainda mais complexos porque agora você tem várias propriedades de comutação. A sequência de expansão e contração pode parecer bizarra e obscura. Somente devido ao esforço de Nina e Sabine a bizarrice foi normalizada para que pudéssemos entender exatamente o que está acontecendo. "

Em estudos futuros, os pesquisadores vão sondar as propriedades dinâmicas - observando as relações de alta e baixa polarização em materiais tensionados; em movimento, estabilizar e incorporar átomos da nova fase para fazer uma troca; sondar experimentalmente o comportamento previsto de materiais sob pressão; e estudar como os domínios ferroelétricos se reorientam após a aplicação de um campo elétrico.

O título do artigo é "Cristais ferroelétricos van-der-Waals ajustáveis ​​de poços quádruplos".