p (Phys.org) —Uma equipe de pesquisa da Universidade de Kansas usou lasers de alta potência para rastrear a velocidade e o movimento dos elétrons dentro de um material inovador com apenas um átomo de espessura. Suas descobertas são publicadas na edição atual da ACS Nano , um jornal revisado por pares com foco em nanociência. p O trabalho no Laboratório de Laser Ultrafast da KU pode ajudar a apontar o caminho para transistores de próxima geração e painéis solares feitos de sólidos, materiais atomicamente finos.

p "Quando o sólido é uma camada fina, elétrons estão confinados nesta camada fina, "disse Hui Zhao, professor associado de física e astronomia, quem lidera a equipe. "Um elétron que é livre para se mover em duas dimensões se comporta de maneira muito diferente daqueles que se movem em todas as três dimensões. Ele muda totalmente a forma como os elétrons interagem com o ambiente. Sob as condições certas, elétrons que se movem em duas dimensões são menos propensos a colidir com outras coisas no sólido, e, portanto, seu movimento é menos interrompido. O movimento mais rápido do elétron geralmente leva a um melhor desempenho dos dispositivos. "

p Para monitorar os elétrons, Zhao e os alunos de pós-graduação Qiannan Cui, Frank Ceballos e Nardeep Kumar criaram uma camada de dissulfeto de tungstênio com um único átomo, um material usado em células solares e como lubrificante.

p Os pesquisadores da KU produziram a camada atômica única, empregando o "método da fita adesiva", usado pela primeira vez por cientistas que trabalham na Universidade de Manchester para criar "grafeno, “um material que rendeu aos seus criadores o Prêmio Nobel de Física em 2010.

p "O disseleneto de tungstênio é um dos poucos materiais atomicamente finos que são conhecidos por serem estáveis ​​sob as condições ambientais, "Zhao disse." Não temos muitas opções. A maioria dos materiais não pode permanecer em um formato de camada atômica única. Eles serão quebrados ou convertidos para outras formas. "

p Depois que a equipe criou um floco de disseleneto de tungstênio com a espessura de um átomo, eles arranjaram cerca de 100 espelhos, lentes e cristais em uma mesa sem vibração para criar um microscópio de absorção transiente. Próximo, eles focalizaram um pulso de laser ultracurto - com duração de apenas um décimo de um bilionésimo de segundo - na amostra. Centenas de elétrons em uma área de um micrômetro quadrado do material absorveram a energia do laser e se tornaram energéticos o suficiente para se mover livremente na amostra.

p "Seu movimento é semelhante ao daquelas crianças enérgicas, exceto que eles se movem muito mais rápido e colidem com muito mais frequência, "disse Zhao.

p A capacidade da equipe de rastrear o movimento dos elétrons e determinar sua velocidade é o avanço mais importante da investigação.

p "Para seguir o movimento desses elétrons energéticos, usamos outro pulso de laser para rastrear a localização desses elétrons a cada um bilionésimo de segundo até que eles perdessem sua energia e se acomodassem, "Zhao disse." A medição foi repetida 80 milhões de vezes por segundo automaticamente para calcular a média do ruído. Descobrimos que os elétrons colidem com outras partículas cerca de 4 bilhões de vezes por segundo, na média."

p A velocidade dos elétrons em um material é uma das propriedades eletrônicas mais importantes, de acordo com a pesquisadora.

p “Isso se traduz em operação mais rápida em dispositivos lógicos e computadores, maior eficiência em células solares e melhor sensibilidade em sensores, "disse Zhao." Ser capaz de medir essa qualidade é o primeiro passo para entender quaisquer fatores limitantes e como melhorá-los. Outros pesquisadores deduzem o movimento do elétron medindo a corrente versus a voltagem. É menos direto e requer a conexão do semicondutor aos eletrodos. Isso pode ser muito difícil para amostras pequenas e finas. Nossa abordagem é direta e não invasiva. "

p Não contente em simplesmente monitorar a atividade dos elétrons, Zhao e sua equipe esperam aumentar o desempenho dos elétrons para torná-los mais eficientes, dispositivos eletrônicos poderosos do que a geração atual que utiliza silicone como o material do transistor.

p "Nosso próximo objetivo ao longo desta linha é encontrar maneiras de aumentar a velocidade do elétron, por exemplo, colocar as camadas individuais em um substrato mais adequado ou modificar o material, "disse ele." Outra direção é usar este material, junto com outros, para formar um novo, cristais 3-D artificiais. É possível que tais cristais sejam desenvolvidos nos próximos anos, porque muitos grupos estão trabalhando nisso. É difícil prever quando isso poderá ser comercializado. Esta é apenas uma solução potencial para substituir o silício para a indústria eletrônica. O objetivo atual é aprender como melhorar a qualidade dos materiais, reduza o custo e tente entender suas vantagens e desvantagens. "