Um instantâneo de siliceno (mostrado em amarelo), um material 2-D feito de átomos de silício, à medida que cresce em substrato de irídio (mostrado em vermelho). A imagem foi tirada de uma simulação de dinâmica molecular, que os pesquisadores de Argonne usaram para prever o crescimento e a evolução do siliceno. Crédito:Joseph Insley / Argonne National Laboratory
As propriedades notáveis dos materiais 2-D - constituídos por uma única camada de átomos - os tornaram um dos materiais mais intensamente estudados de nosso tempo. Eles têm o potencial de inaugurar uma nova geração de eletrônicos aprimorados, baterias e dispositivos sensoriais, entre outras aplicações.
Um obstáculo para a realização de aplicações desses materiais é o custo e o tempo necessários para estudos experimentais. Contudo, simulações de computador estão ajudando os pesquisadores a superar esse desafio, a fim de caracterizar com precisão as estruturas e funções materiais em um ritmo acelerado.
No Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), pesquisadores simularam o crescimento de siliceno, um material 2-D com propriedades eletrônicas atraentes. Trabalho deles, publicado em Nanoescala , oferece insights novos e úteis sobre as propriedades e comportamento do material e oferece um modelo preditivo para outros pesquisadores que estudam materiais 2-D.
Daqui para frente, este modelo pode acelerar a compreensão dos pesquisadores de materiais 2-D, e nos aproxima da realização de suas aplicações em uma ampla gama de indústrias.
Em simulações, Os pesquisadores de Argonne observaram siliceno, feito de uma camada de átomos de silício, evoluir à medida que cresceu no irídio de metal. Os cientistas desenvolveram seu modelo com o apoio do Centro de Materiais em Nanoescala da Argonne e do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) - ambos DOE Office of Science User Facilities - e usando dados experimentais sobre o crescimento de siliceno.
"Usamos dados experimentais para construir o modelo, "disse Mathew Cherukara, Argonne pesquisador de pós-doutorado e autor principal. "Em seguida, usamos essa versão do modelo para fazer previsões sob diferentes condições, e também aprender os processos físicos subjacentes que governam o crescimento do material. "
Os autores então trabalharam com pesquisadores da ALCF para simular o crescimento de siliceno átomo por átomo. Eles simularam o material em condições variadas, alterando variáveis como temperatura e a taxa que o siliceno foi depositado, até que encontraram as melhores condições para criar um único, camada uniforme.
"Basicamente, fizemos 'experimentos' virtuais para otimizar diferentes variáveis, tudo a um custo muito menor do que no laboratório, "disse Badri Narayanan, Cientista de materiais da Argonne e co-autora principal. "Agora, outros podem evitar muitas tentativas e erros no laboratório. Em vez disso, eles podem experimentar usando o conjunto otimizado de condições que nosso modelo prevê para melhor produzir as estruturas e propriedades que desejam. "
Crédito:Laboratório Nacional de Argonne
Com siliceno, átomos de silício podem se organizar em quatro, anéis de cinco ou mesmo seis membros, formando aglomerados ou ilhas. Suas propriedades materiais podem mudar drasticamente dependendo do número de átomos em um anel, o tamanho e a distribuição desses anéis e como eles se conectam ao longo do tempo.
“Nas simulações, recorremos ao uso de algoritmos de aprendizado de máquina para identificar esses pequenos clusters em tempo real, "disse Argonne Postdoctoral Fellow e co-autor Henry Chan." O tamanho e a forma dos clusters e como eles se combinam determinam as propriedades desses materiais 2-D. "
Uma vantagem de modelar materiais 2-D, como siliceno, é que os pesquisadores podem visualizar as interações e configurações atômicas, como a formação de aglomerados intermediários durante o processo de crescimento. Freqüentemente, eles evoluem rápido demais para que os pesquisadores os capturem durante os experimentos.
"É muito difícil capturar aglomerados ou ilhas formando porque eles acontecem em escalas de tempo muito curtas e escalas de comprimento minúsculas, "disse o Subramanian Sankaranarayanan, Cientista e co-autor de Argonne. "Nossas simulações, que capturam apenas dezenas de nanossegundos, sucesso em mostrar como essas estruturas minúsculas se formam e revelam as condições ideais para realmente ajustar as estruturas de uma forma ou de outra. "
"O crescimento do siliceno através da migração de ilhas e coalescência" foi destaque na capa da edição de agosto da Nanoescala .
