p Empilhar camadas de materiais semicondutores de espessura nanométrica em ângulos diferentes é uma nova abordagem para projetar a próxima geração de transistores e células solares com eficiência energética. Os átomos em cada camada são organizados em arranjos hexagonais. Quando duas camadas são empilhadas e giradas, os átomos de uma camada se sobrepõem aos da outra camada e podem formar um número infinito de padrões de sobreposição, como os padrões Moiré que resultam quando duas telas são sobrepostas e uma é girada em cima da outra. Cálculos teóricos prevêem excelentes propriedades eletrônicas e ópticas para alguns padrões de empilhamento, mas praticamente, como esses padrões podem ser feitos e caracterizados? p Recentemente, uma equipe liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, usou as vibrações entre duas camadas para decifrar seus padrões de empilhamento. A equipe empregou um método chamado espectroscopia Raman de baixa frequência para medir como as camadas vibram entre si e comparou as frequências das vibrações medidas com seus valores teoricamente previstos. Seu estudo fornece uma plataforma para a engenharia de materiais bidimensionais (2D) com propriedades ópticas e eletrônicas que dependem fortemente das configurações de empilhamento. Os resultados são publicados em ACS Nano , um jornal da American Chemical Society.

p "Espectroscopia Raman de baixa frequência, em combinação com a modelagem de primeiros princípios, oferece uma abordagem rápida e fácil para revelar configurações de empilhamento complexas nas bicamadas torcidas de um semicondutor promissor, sem depender de outras técnicas experimentais caras e demoradas, "disse o co-autor Liangbo Liang, um Wigner Fellow no ORNL. "Somos os primeiros a mostrar que os espectros Raman de baixa frequência podem ser usados ​​como impressões digitais para caracterizar o empilhamento de camadas relativo em materiais 2D semicondutores."

p Na dispersão de Raman, um método óptico para sondar vibrações atômicas, um material espalha luz monocromática de um laser. Considerando que a espectroscopia Raman convencional pode sondar mais de aproximadamente 3 trilhões de vibrações atômicas por segundo, a espectroscopia Raman de baixa frequência detecta vibrações que são uma ordem de magnitude mais lentas. A técnica de baixa frequência é sensível a forças de atração fracas entre as camadas, denominado acoplamento de van der Waals. Ele pode fornecer uma visão crucial sobre a espessura da camada e o empilhamento - aspectos que governam as propriedades fundamentais dos materiais 2D.

p "Este trabalho combina síntese de ponta e processamento de materiais 2D, sua caracterização espectroscópica única, e interpretação de dados usando a teoria dos primeiros princípios, "disse o co-autor Alex Puretzky." A espectroscopia Raman de alta resolução que pode sondar modos de baixa frequência requer instrumentação especializada, e apenas alguns lugares ao redor do mundo têm essa capacidade, juntamente com ferramentas avançadas de síntese e caracterização, e experiência em teoria e modelagem computacional. O Centro de Ciências de Materiais Nanofásicos do ORNL está entre eles. "

p Deposição de vapor químico, amplamente empregado para sintetizar materiais 2D como o grafeno, foi usado para fazer monocamadas de cristal perfeitamente triangulares de disseleneto de molibdênio com apenas três átomos de espessura. Moléculas de matéria-prima de óxido de molibdênio e enxofre foram reagidas em um fluxo de gás dentro de um forno de alta temperatura para formar os cristais triangulares em substratos de silício.

p "Numerosos parâmetros precisam ser ajustados adequadamente para sintetizar grandes, cristais 2D triangulares com sucesso, "Puretzky disse." Então, remover cuidadosamente os cristais e empilhá-los precisamente em diferentes orientações é um grande desafio. "

p Ele continuou, "O preciso, a forma triangular equilateral dos cristais sintetizados e transferidos nos permitiu medir os ângulos de torção com alta precisão usando imagens de microscopia de força óptica e atômica padrão, que foi um fator chave em nossos experimentos. "

p Aspectos teóricos e computacionais também foram desafiadores. "A espectroscopia Raman é fortemente baseada na teoria para interpretação e atribuição dos espectros Raman observados, especialmente para novos materiais que nunca foram medidos, "Puretzky disse.

p O estudo revelou padrões nas bicamadas empilhadas que dependem fortemente do ângulo de torção. Alguns ângulos de torção específicos, no entanto, mostrou patches que se repetem periodicamente com a mesma orientação de empilhamento. "Esses padrões exclusivos podem fornecer uma nova plataforma para aplicações optoeletrônicas desses materiais, "Puretzky disse.

p As descobertas da equipe também mostraram efeitos fascinantes das vibrações entre as camadas. Como diferentes padrões de empilhamento apareceram quando as camadas foram deslocadas, espaçamentos variáveis ​​ocorreram entre as camadas em alguns ângulos de torção específicos. Os pesquisadores planejam medições adicionais e modelagem para diferentes configurações de empilhamento para entender melhor como esses decaimentos vibracionais podem alterar as propriedades térmicas desses materiais - conhecimento que pode afetar as aplicações de dissipação de calor e conversão de energia termoelétrica.