p (Phys.org) —De super-lubrificantes, para células solares, para a tecnologia incipiente da Valleytronics, há muito para se entusiasmar com a descoberta de um novo semicondutor bidimensional exclusivo, dissulfeto de rênio, por pesquisadores da Fundição Molecular do Berkeley Lab. Dissulfeto de rênio, ao contrário do dissulfeto de molibdênio e outros dichalcogenetos, se comporta eletronicamente como se fosse uma monocamada 2D, mesmo como um material a granel 3D. Isso não apenas abre a porta para aplicações eletrônicas 2D com um material 3D, também torna possível estudar a física 2D com cristais 3D fáceis de fazer. p "O dissulfeto de rênio continua sendo um semicondutor bandgap direto, sua intensidade de fotoluminescência aumenta enquanto seu espectro Raman permanece inalterado, mesmo com a adição de um número crescente de camadas, "diz Junqiao Wu, um físico da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab que liderou esta descoberta. "Isso torna os cristais de dissulfeto de rênio uma plataforma ideal para sondar a física excitônica e lattice 2D, contornando o desafio de preparar grandes áreas, monocamadas de cristal único. "

p Wu, que também é professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da University of California-Berkeley, chefiou uma grande equipe internacional de colaboradores que usaram as instalações da Fundição Molecular, um centro nacional de nanociências do Departamento de Energia dos EUA (DOE), para preparar e caracterizar monocamadas individuais de dissulfeto de rênio. Por meio de uma variedade de técnicas de espectroscopia, eles estudaram essas monocamadas como multicamadas empilhadas e como materiais a granel. O estudo revelou que a singularidade do dissulfeto de rênio decorre de uma ruptura em sua simetria cristalina chamada distorção de Peierls.

p "Dichalcogenetos de metais de transição semicondutores consistem em monocamadas mantidas juntas por forças fracas, "diz Sefaattin Tongay, autor principal de um artigo que descreve esta pesquisa em Nature Communications para o qual Wu era o autor correspondente. O artigo foi intitulado "Comportamento de monocamada em ReS2 em massa devido ao desacoplamento eletrônico e vibracional".

p "Normalmente, as monocamadas em dichalcogenetos de metal de transição semicondutores, como dissulfeto de molibdênio, são relativamente fortemente acoplados, mas monocamadas isoladas mostram grandes mudanças na estrutura eletrônica e nas energias de vibração da rede, "Tongay diz." O resultado é que em massa esses materiais são semicondutores de lacuna indireta e na monocamada eles são lacuna direta.

p O que Tongay, Wu e seus colaboradores descobriram em seus estudos de caracterização que o dissulfeto de rênio contém sete elétrons de valência em oposição aos seis elétrons de valência do dissulfeto de molibdênio e outros dichalcogenetos de metais de transição. Este elétron de valência extra impede o forte acoplamento intercamada entre múltiplas monocamadas de dissulfeto de rênio.

p "O elétron extra é eventualmente compartilhado entre dois átomos de rênio, o que faz com que os átomos se movam mais perto um do outro, formando cadeias quase unidimensionais dentro de cada camada e criando a distorção de Peierls na rede, "Tongay diz." Uma vez que a distorção de Peierls ocorre, o registro interlayer é amplamente perdido, resultando em acoplamento intermediário fraco e comportamento de monocamada na massa. "

p O acoplamento intermediário fraco do dissulfeto de rênio deve tornar este material altamente útil em tribologia e outras aplicações de baixo atrito. Uma vez que o dissulfeto de rênio também exibe fortes interações entre a luz e a matéria que são típicas de semicondutores de monocamada, e uma vez que a maior parte do dissulfeto de rênio se comporta como se fosse uma monocamada, o novo material também deve ser valioso para aplicações em células solares. Também pode ser uma alternativa menos cara ao diamante para Valleytronics.

p Em Valleytronics, o número quântico de onda do elétron em um material cristalino é usado para codificar informações. Este número é derivado do spin e momento de um elétron movendo-se através de uma rede cristalina como uma onda com picos e vales de energia. A codificação de informações quando os elétrons residem nesses vales de energia mínima oferece uma nova rota potencial altamente promissora para a computação quântica e processamento de dados ultrarrápido.

p "Os átomos de rênio têm um peso atômico relativamente grande, o que significa que as interações elétron spin-órbita são significativas, "Tongay diz." Isso poderia tornar o dissulfeto de rênio um material ideal para aplicações de Valleytronics. "

p A colaboração agora está procurando maneiras de ajustar as propriedades do dissulfeto de rênio em monocamada e cristais em massa por meio de defeitos de engenharia na rede e dopagem seletiva. Eles também estão procurando ligar o dissulfeto de rênio com outros membros da família do dichalcogeneto.