Tensões e deformações podem alterar drasticamente as propriedades de um material, e a TU Wien desenvolveu agora um método para tornar visíveis essas deformações internas.

Materiais bidimensionais, como grafeno, que consistem em apenas uma ou algumas camadas atômicas, têm sido um aspecto muito promissor da ciência dos materiais nos últimos anos. Eles demonstram propriedades notáveis ​​que abrem possibilidades técnicas completamente novas, de tecnologia de sensor a células solares.

Contudo, há um fenômeno importante que não poderia ser medido com precisão até agora:as tensões internas extremas e deformações a que tais materiais podem estar sujeitos, que muitas vezes alteram drasticamente as propriedades físicas do material. A TU Wien agora mediu com sucesso essas distorções em materiais 2-D em nível microscópico, o que significa que agora é possível observar com precisão (ponto por ponto) como as propriedades de um material podem ser alteradas como resultado de uma simples distorção. Esses novos métodos de medição já foram publicados na revista especializada Nature Communications .

Alongamento e compressão

Quando um material é esticado ou comprimido, a distância entre os átomos individuais muda, e essa distância influencia nas propriedades eletrônicas do material. Este fenômeno tem sido usado na tecnologia de semicondutores há anos:cristais de silício, por exemplo, podem ser cultivados de modo que fiquem permanentemente sob estresse mecânico interno.

Contudo, materiais bidimensionais, que consiste apenas em uma camada ultrafina, oferecem um potencial muito maior:"Um cristal pode ser esticado em talvez um por cento antes de quebrar. Com materiais 2-D, deformação de dez ou vinte por cento é possível ", diz o Prof. Thomas Müller do Instituto de Fotônica (Faculdade de Engenharia Elétrica e Tecnologia da Informação) da TU Wien. Dependendo da deformação e tensões mecânicas presentes no material, as propriedades eletrônicas podem mudar completamente, como a capacidade dos elétrons de absorver a luz que entra.

"Até agora, se você quisesse medir as tensões presentes neste tipo de material, você teria que confiar em métodos de medição extremamente complicados ", explica Lukas Mennel (TU Wien), autor principal da publicação. Por exemplo, você pode observar a superfície usando um microscópio eletrônico de transmissão, meça a distância média entre os átomos e então deduza qualquer alongamento ou compressão a partir disso. Na TU Wien, este processo agora está muito mais simples e preciso.

Luz vermelha dentro, luz azul apagada

Aqui, um efeito notável chamado de duplicação de frequência é usado:"Se você irradiar materiais específicos - no nosso caso, uma camada de dissulfeto de molibdênio - com um feixe de laser adequado, o material pode refletir a luz de fundo de uma cor diferente ", explica Thomas Müller. Dois fótons no feixe de laser de entrada são combinados para formar um fóton com o dobro da energia, que é emitido do material.

Contudo, a intensidade desse efeito depende da simetria interna do material. Usualmente, dissulfeto de molibdênio tem uma estrutura semelhante a um favo de mel, isto é, simetria hexagonal. Se o material for esticado ou comprimido, essa simetria é ligeiramente distorcida - e essa pequena distorção tem um efeito dramático na intensidade da luz refletida de volta do material.

Se você colocar uma camada de dissulfeto de molibdênio sobre uma microestrutura, como colocar um cobertor de borracha sobre uma estrutura de escalada, o resultado é um padrão complexo de distorções locais. Agora você pode usar um laser para escanear o material ponto por ponto e, assim, obter um mapa detalhado desses alongamentos e compressões. "Ao fazer isso, não só podemos medir a gravidade dessas deformações, mas também podemos ver a direção exata em que eles correm ", explica Lukas Mennel.

Esses métodos de imagem agora podem ser usados ​​para o local, ajuste direcionado das propriedades do material. "Por exemplo, deformações de material personalizado em células solares podem garantir que os portadores de carga gratuita sejam difundidos na direção certa o mais rápido possível ", diz Thomas Müller. Esta pesquisa em materiais 2-D significa que um novo, ferramenta poderosa agora está disponível.