O controle é um desafio constante para os cientistas de materiais, que estão sempre buscando o material perfeito - e a maneira perfeita de tratá-lo - para induzir exatamente a atividade eletrônica ou ótica certa necessária para uma determinada aplicação.

Um desafio chave para modular a atividade em um semicondutor é controlar seu gap. Quando um material está excitado com energia, dizer, um pulso de luz, quanto maior for a lacuna da banda, quanto menor o comprimento de onda da luz que ele emite. Quanto mais estreito for o gap, quanto maior o comprimento de onda.

Como eletrônicos e os dispositivos que os incorporam - smartphones, laptops e similares - tornaram-se cada vez menores, os transistores semicondutores que os alimentam encolheram a ponto de não serem muito maiores do que um átomo. Eles não podem ficar muito menores. Para superar essa limitação, os pesquisadores estão buscando maneiras de aproveitar as características únicas de matrizes de cluster atômico em nanoescala - conhecidas como superredes de pontos quânticos - para a construção de eletrônicos de próxima geração, como sistemas de informação quântica em grande escala. No reino quântico, a precisão é ainda mais importante.

Uma nova pesquisa conduzida pelo Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da UC Santa Bárbara revela um grande avanço em materiais de superredes de precisão. As descobertas do Professor Kaustav Banerjee, seu Ph.D. alunos Xuejun Xie, Jiahao Kang e Wei Cao, o pós-doutorado Jae Hwan Chu e colaboradores da Rice University aparecem no jornal Nature Scientific Reports .

A pesquisa de sua equipe usa um feixe de elétrons focado para fabricar uma superrede de pontos quânticos em grande escala na qual cada ponto quântico tem um tamanho pré-determinado específico posicionado em um local preciso em uma folha atomicamente fina de molibdênio semicondutor bidimensional (2-D) dissulfeto (MoS2). Quando o feixe de elétrons focalizado interage com a monocamada MoS2, ele transforma essa área - que tem um diâmetro da ordem de um nanômetro - de semicondutora em metálica. Os pontos quânticos podem ser colocados a menos de quatro nanômetros de distância, para que eles se tornem um cristal artificial - essencialmente um novo material 2-D onde o gap pode ser especificado sob encomenda, de 1,8 a 1,4 elétron-volts (eV).

Esta é a primeira vez que os cientistas criaram uma superrede 2-D de grande área - aglomerados atômicos em nanoescala em uma grade ordenada - em um material atomicamente fino no qual o tamanho e a localização dos pontos quânticos são precisamente controlados. O processo não só cria vários pontos quânticos, mas também pode ser aplicado diretamente à fabricação em grande escala de superredes de pontos quânticos 2-D. "Nós podemos, Portanto, alterar as propriedades gerais do cristal 2-D, "Banerjee disse.

Cada ponto quântico atua como um poço quântico, onde ocorre a atividade do buraco do elétron, e todos os pontos na grade estão próximos o suficiente uns dos outros para garantir interações. Os pesquisadores podem variar o espaçamento e tamanho dos pontos para variar o gap, que determina o comprimento de onda da luz que ele emite.

"Usando esta técnica, podemos projetar a lacuna de banda para corresponder à aplicação, "Banerjee disse. Superredes de pontos quânticos foram amplamente investigadas para a criação de materiais com intervalos de banda sintonizáveis, mas todos foram feitos usando métodos" ascendentes "nos quais os átomos se combinam natural e espontaneamente para formar um macroobjeto. Mas esses métodos tornam isso inerentemente difícil para projetar a estrutura de rede conforme desejado e, portanto, para alcançar o desempenho ideal.

Como um exemplo, dependendo das condições, combinar átomos de carbono produz apenas dois resultados na forma em massa (ou 3-D):grafite ou diamante. Eles não podem ser 'ajustados' e, portanto, não podem fazer nada entre eles. Mas quando os átomos podem ser posicionados com precisão, o material pode ser projetado com as características desejadas.

"Nossa abordagem supera os problemas de aleatoriedade e proximidade, permitindo o controle do gap e todas as outras características que você pode querer que o material tenha - com um alto nível de precisão, "Xie disse." Esta é uma nova maneira de fazer materiais, e terá muitos usos, particularmente em aplicações de computação quântica e comunicação. Os pontos na superrede estão tão próximos uns dos outros que os elétrons estão acoplados, um requisito importante para a computação quântica. "

O ponto quântico é teoricamente um "átomo" artificial. A técnica desenvolvida torna esse design e "ajuste" possíveis, permitindo o controle de cima para baixo do tamanho e da posição dos átomos artificiais em grande escala.

Para demonstrar o nível de controle alcançado, os autores produziram uma imagem de "UCSB" soletrada em uma grade de pontos quânticos. Usando diferentes doses do feixe de elétrons, eles foram capazes de fazer com que diferentes áreas das iniciais da universidade acendessem em diferentes comprimentos de onda.

"Quando você muda a dose do feixe de elétrons, você pode alterar o tamanho do ponto quântico na região local, e uma vez que você fizer isso, você pode controlar o gap do material 2-D, "Banerjee explicou." Se você disser que deseja um gap de 1,6 eV, Eu posso dar a você. Se você quiser 1,5 eV, Eu posso fazer isso, também, começando com o mesmo material. "

Esta demonstração de gap direto sintonizável poderia inaugurar uma nova geração de dispositivos emissores de luz para aplicações fotônicas.