p Por enquanto, sabe-se bem que reduzir a espessura de um material até a espessura de um único átomo pode alterar drasticamente as propriedades físicas desse material. Grafeno, o material 2-D mais conhecido, tem resistência e condutividade elétrica incomparáveis, ao contrário de sua forma volumosa como grafite. Os pesquisadores começaram a estudar centenas de outros materiais 2-D para fins eletrônicos, de detecção, diagnóstico precoce de câncer, dessalinização de água e uma série de outras aplicações. Agora, uma equipe de pesquisadores da Penn State no Departamento de Física e no Center for Two-Dimensional and Layered Materials (2DLM) desenvolveu um rápido, método óptico não destrutivo para analisar defeitos em materiais bidimensionais. p "Na indústria de semicondutores, por exemplo, defeitos são importantes porque você pode controlar propriedades por meio de defeitos, "disse Mauricio Terrones, professor de física, ciência de materiais e engenharia e química, Estado de Penn. "Isso é conhecido como engenharia de defeitos. A indústria sabe como controlar os defeitos e quais tipos são bons para os dispositivos."

p Para realmente entender o que está acontecendo em um material 2-D como dissulfeto de tungstênio, que tem uma única camada de tungstênio com a espessura de um átomo de tungstênio entre duas camadas atômicas de enxofre, exigiria um microscópio eletrônico de alta potência capaz de ver átomos individuais e os buracos, chamadas vagas, onde os átomos estão faltando.

p "O benefício da microscopia eletrônica de transmissão (TEM) é que você obtém uma imagem e pode ver diretamente o que está acontecendo - você obtém evidências diretas, "disse Bernd Kabius, cientista da equipe do Instituto de Pesquisa de Materiais da Penn State, um especialista em TEM e co-autor do artigo publicado em 28 de abril no jornal online Avanços da Ciência .

p As desvantagens, de acordo com Kabius, são uma maior possibilidade de danos ao delicado material 2-D, a preparação complexa exigida da amostra e o tempo envolvido - um dia inteiro de tempo do instrumento para a imagem de uma única amostra e uma semana ou mais para interpretar os resultados. Por essas razões, e outros, pesquisadores gostariam de combinar TEM com outro método de olhar para a amostra que é mais simples e rápido.

p A técnica desenvolvida por Terrones e sua equipe usa um método óptico, microscopia fluorescente, em que um laser de um comprimento de onda específico incide sobre uma amostra e os elétrons excitados, empurrado para um nível de energia mais alto, cada um emite um fóton de um comprimento de onda mais longo quando o elétron cai para um nível de energia inferior. O comprimento de onda, ou cor da luz, pode ser medido por espectroscopia e fornece informações sobre o tipo de defeito e a localização na amostra. Esses dados aparecem como picos em um gráfico, que a equipe então correlacionou à confirmação visual sob o TEM. Cálculos teóricos também ajudaram a validar os resultados ópticos. Uma etapa necessária no processo requer a colocação da amostra em um suporte de amostra com temperatura controlada, ou palco, e baixando a temperatura para 77 Kelvin, quase 200 graus C abaixo de zero. Nesta temperatura, os pares elétron-buraco que produzem a fluorescência estão ligados ao defeito - no caso deste trabalho um conjunto de lacunas de enxofre na camada superior do sanduíche - e emitem um sinal mais forte do que as áreas primitivas do material.

p "Pela primeira vez, estabelecemos uma relação direta entre a resposta óptica e a quantidade de defeitos atômicos em materiais bidimensionais, "disse Victor Carozo, ex-bolsista de pós-doutorado no laboratório de Terrones e primeiro autor do trabalho.

p Terrones adicionados, "Para a indústria de semicondutores, esta é uma medição rápida, um método óptico não destrutivo para avaliar defeitos em sistemas 2-D. O importante é que pudemos correlacionar nosso método óptico com TEM e também com simulações atomísticas. Acho que este método pode ser muito útil no estabelecimento de um protocolo para caracterização de materiais cristalinos 2-D. "

p Nesse contexto, co-autor Yuanxi Wang, um pesquisador de pós-doutorado no 2DLM e um teórico, adicionado, "Nossos cálculos mostram que os elétrons presos por vacâncias emitem luz em comprimentos de onda diferentes da emissão de regiões livres de defeitos. As regiões que emitem luz nesses comprimentos de onda podem identificar facilmente as vacâncias nas amostras."

p E Vincent Crespi, Distinto Professor de Física, Ciência e Engenharia de Materiais e Química, Estado de Penn, disse "Podemos estabelecer não apenas uma correlação empírica entre a presença de certos defeitos e a emissão de luz modificada, mas também identifique o motivo dessa correlação por meio de cálculos de primeiros princípios. "

p As aplicações de dispositivos que poderiam ser aprimoradas por este trabalho incluem membranas com tamanhos de poros seletivos para remoção de sal da água ou para sequenciamento de DNA, detecção de gás quando as moléculas de gás se ligam a espaços vazios específicos e a dopagem de materiais 2-D, que é a adição de átomos estranhos para melhorar as propriedades.