p Em estações de metrô em Londres, o aviso de "Mind the Gap" ajuda os passageiros a evitar que pisem em espaços vazios ao saírem do trem. Quando se trata de engenharia de estruturas atômicas de camada única, cuidar da lacuna ajudará os pesquisadores a criar materiais eletrônicos artificiais, uma camada atômica de cada vez. p A lacuna é um vácuo minúsculo que só pode ser visto em um microscópio eletrônico de transmissão de alta potência. A lacuna, pesquisadores do Penn State's Center for 2-Dimensional and Layered Materials (2DLM) acreditam, é uma barreira de energia que impede os elétrons de cruzarem facilmente de uma camada de material para a próxima.

p "É uma camada isolante natural que a Mãe Natureza construiu nesses materiais criados artificialmente, "disse Joshua Robinson, professor assistente de ciência e engenharia de materiais e diretor associado do 2DLM Center. "Ainda estamos tentando entender como os elétrons se movem verticalmente através desses materiais em camadas, e pensamos que deveria consumir muito menos energia. Graças a uma combinação de teoria e experimento, agora sabemos que temos que levar em conta essa lacuna ao projetar novos materiais. "

p Pela primeira vez, os pesquisadores da Penn State cultivaram uma única camada atômica de disseleneto de tungstênio em um substrato de grafeno de um átomo de espessura com interfaces cristalinas entre as duas camadas. Quando eles tentaram colocar uma voltagem da camada superior de disseleneto de tungstênio (WSe2) para a camada de grafeno, eles encontraram uma quantidade surpreendente de resistência. Cerca de metade da resistência foi causada pela lacuna, que introduziu uma grande barreira, cerca de 1 elétron volt (1eV), para os elétrons que tentam se mover entre as camadas. Esta barreira de energia pode ser útil no projeto de dispositivos eletrônicos de próxima geração, como transistores de efeito de campo de tunelamento vertical, Disse Robinson.

p O interesse por esses materiais de van der Waals surgiu com a descoberta de métodos para fazer grafite de camada única usando fita adesiva para cortar mecanicamente uma camada de carbono de um átomo de espessura chamada grafeno a partir de grafite em massa. A força de van der Waals que une camadas de grafite é fraca o suficiente para permitir a remoção da camada atômica única. Os pesquisadores da Penn State usam um diferente, método mais escalonável, chamado deposição química de vapor, para depositar uma única camada de WSe2 cristalino sobre algumas camadas de grafeno epitaxial que é cultivado a partir de carboneto de silício. Embora a pesquisa do grafeno tenha explodido na última década, existem muitos sólidos van der Waal que podem ser combinados para criar materiais artificiais inteiramente novos com propriedades inimagináveis.

p Em um artigo publicado online este mês em Nano Letras , a equipe da Penn State e colegas da UT Dallas, o Laboratório de Pesquisa Naval, Sandia National Lab, e laboratórios em Taiwan e Arábia Saudita, descobriram que a camada de disseleneto de tungstênio cresceu em ilhas triangulares perfeitamente alinhadas de 1-3 mícrons de tamanho que lentamente se aglutinaram em um único cristal de até 1 centímetro quadrado. Robinson acredita que será possível fazer crescer esses cristais em tamanhos de escala de wafer industrialmente úteis, embora exija um forno maior do que ele tem atualmente em seu laboratório.

p "Uma das coisas realmente interessantes sobre essa lacuna, "Robinson disse, "é que nos permite crescer camadas alinhadas, apesar do fato de que os átomos no grafeno não estão alinhados com os átomos no disseleneto de tungstênio. Na verdade, há uma incompatibilidade de rede de 23 por cento, que é enorme. A Mãe Natureza realmente relaxou as regras quando se trata dessas grandes diferenças no espaçamento dos átomos. "

p O autor principal do Nano Letras o papel é Yu-Chuan Lin, um estudante de graduação no laboratório de Robinson. Outros co-autores da Penn State foram Ram Krishna Ghosh, um pós-doutorado em engenharia elétrica (EE) que usou modelagem de computador para ajudar a equipe a entender a barreira de energia, Jie Li, pós-doutorado em EE, Theresa S. Mayer e Suman Datta, professores em EE e Robinson, que junto com Lain-Jong Li do Instituto de Ciências Atômicas e Moleculares, Taiwan, era o autor correspondente. Em um raro momento de serendipidade, Jeremy Robinson, um pesquisador do Laboratório de Pesquisa Naval e irmão de Joshua Robinson, também foi co-autor do artigo. Robert Wallace e seus alunos da Universidade do Texas em Dallas forneceram imagens do TEM.